JP6478922B2 - 光変調素子 - Google Patents

Description

本発明は、光束に位相分布を与える液晶光学デバイスに関する。

従来より、光学系内に液晶素子を配置して、その液晶素子の屈折率可変性を利用して、液晶素子を透過する光束に所望の位相分布を与えることにより、光学系の焦点距離を変更したり、あるいは、収差を補正することが研究されている。例えば、特許文献１には、液晶層を有し、その液晶層の少なくとも一方の面に、複数のリング状の透明電極を同心円状に設け、各透明電極と液晶層を挟んで対向する他方の透明電極間に印加する電圧を各リング状の透明電極ごとに調節することで、焦点距離を調節可能な液晶素子が開示されている。

特表２００８−５２９０６４号公報

上記のように、液晶層の屈折率は、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極間に印加される電圧によって調節される。そのため、液晶層の少なくとも一方の面に設けられる透明電極を、異なる電圧を印加可能な複数の部分電極で形成してパターン化することにより、その透明電極のパターンに応じて液晶層の屈折率が調節される。そして、液晶層を透過する光束に対して与えられる位相分布は、透明電極のパターンに応じた離散的な分布となる。したがって、液晶層を透過する光束に対して与えようとする、理想的かつ連続的な位相分布と実際に与えられる位相分布の差を小さくするには、個々の部分電極を小さくするとともに、部分電極の数を増やす必要が有る。

しかし、部分電極の数が増えると、隣接する部分電極同士を絶縁するためのギャップも増える。また、液晶素子の制御回路と各部分電極とを電気的に接続するために、各部分電極から液晶素子の外部まで引き出される引き出し電極の数も増える。液晶層のうち、ギャップ及び引き出し電極に相当する部分を透過した光は、液晶層による所望の位相変調を受けないので、ギャップ及び引き出し電極の増加は、液晶素子の光学性能の低下を招く。また、液晶層の表面に透明電極を設ける際の加工技術の制約により、部分電極の細密化には限界がある。

そこで、本発明は、液晶層の表面に形成される透明電極パターンの解像度よりも微細な解像度の位相分布を光束に与えることができる液晶光学デバイスを提供する。

本発明の一つの実施形態によれば、光軸に沿って配列されたＮ個の液晶素子を有し、かつＮは２以上の整数である液晶光学デバイスが提供される。この液晶光学デバイスにおいて、Ｎ個の液晶素子のそれぞれは、所定の方向に配向された液晶分子が封入された液晶層と、液晶層を挟んで対向するように配置された二つの透明電極とを有し、二つの透明電極のうちの少なくとも一方は、複数の部分電極を有し、かつ、液晶層を透過する光束に与える位相分布における位相変調量の最大値と最小値の差を所定のレベル数で分割したときの各レベルごとに、そのレベルの位相変調量を光束に与える液晶層の部分に複数の部分電極の少なくとも一つが配置され、光束に対する、隣接する二つの部分電極間の境界の位置が液晶素子ごとに異なる箇所を有することを特徴とする。

この液晶光学デバイスにおいて、各レベルの位相変調量が、位相変調量の最大値と最小値の差を所定のレベル数で等分割したときの隣接レベル間の差に相当する位相変調量をＮで等分割して得られる位相変調量の差ずつ、液晶素子ごとにずれるように、各液晶素子について複数の部分電極が配置されることが好ましい。

さらに、この液晶光学デバイスでは、Ｎ個の液晶素子のうちの少なくとも一つにおいて、位相変調量の隣接する二つの極値のそれぞれに相当する、光軸に直交する面における位置の間隔が小さいほど、その間隔に含まれる位相変調量のレベルの数が少なくなるように複数の部分電極が配置されることが好ましい。

さらに、この液晶光学デバイスにおいて、光軸に直交する面における、複数の部分電極に電力を供給する引き出し電極の位置が複数の液晶素子のそれぞれについて同一であることが好ましい。

また、液晶光学デバイスは、Ｎ個の液晶素子のそれぞれについて、複数の部分電極のそれぞれと対向する透明電極との間に、液晶層のうちのその部分電極が設けられた部分を透過する光束に与える位相変調量のレベルに応じた電圧を印加する制御回路をさらに有することが好ましい。

さらに、この液晶光学デバイスにおいて、Ｎ個の液晶素子のそれぞれについて、複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極は、それぞれ抵抗子によって接続されることが好ましい。この場合において、制御回路は、位相変調プロファイルにおける位相変調量が極大値となる位置に対応する部分電極及び位相変調量が極小値となる位置に対応する部分電極と、対向する透明電極との間に、それぞれ、位相変調量が極大値及び極小値となるように電圧を印加することが好ましい。

さらに、この液晶光学デバイスにおいて、Ｎ個の液晶素子のうちの第１の液晶素子についての所定のレベル数は第１のレベル数であり、Ｎ個の液晶素子のうちの他の液晶素子についての所定のレベル数は第１のレベル数に１を加えた第２のレベル数であることが好ましい。この場合において、制御回路は、第１の液晶素子における、複数の部分電極のうちの位相変調量の最大値に対応する部分電極と対向する透明電極との間に印加される電圧と、位相変調量の最小値に対応する部分電極と対向する透明電極との間に印加される電圧との第１の電圧差に対する、他の液晶素子における、複数の部分電極のうちの位相変調量の最大値に対応する部分電極と対向する透明電極との間に印加される電圧と、位相変調量の最小値に対応する部分電極と対向する透明電極との間に印加される電圧との第２の電圧差の比が、第１のレベル数に対する第２のレベル数の比と等しくなるように、各液晶素子の各部分電極と対向する透明電極との間の電圧を制御することが好ましい。

本発明によれば、液晶光学デバイスは、液晶光学素子を透過する光束に液晶層の表面に形成される透明電極パターンの解像度よりも微細な解像度の位相分布を与えることができる。

図１は、本発明の一つの実施形態による液晶光学デバイスの概略構成図である。 図２（Ａ）は、液晶光学デバイスが有する液晶素子の概略側面図である。図２（Ｂ）は、液晶光学デバイスが有する液晶素子の概略正面図である。 図３は、液晶光学デバイスが光束に与える対称性収差補正用の位相分布の一例を示す図である。 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、それぞれ、個々の液晶素子が光束に与える位相分布の一例及び対応する輪帯電極パターンを表す図である。 図５は、各液晶素子が光束に与える位相分布のずれを表す図である。 図６は、液晶光学デバイス全体を透過した光束に与えられる位相分布の一例を示す図である。 図７は、各輪帯電極と印加される電圧との関係を示す図である。 図８は、個々の液晶素子が光束に与える位相分布の他の一例を表す図である。 図９は、液晶光学デバイス全体を透過した光束に与えられる位相分布の他の一例を示す図である。 図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、それぞれ、変形例による、個々の液晶素子が光束に与える位相分布の一例及び対応する輪帯電極パターンを表す図である。 図１１は、変形例による、各液晶素子が光束に与える位相分布のずれを表す図である。 図１２は、変形例による、液晶光学デバイス全体を透過した光束に与えられる位相分布の一例を示す図である。 図１３は、実施形態または変形例による液晶光学デバイスを有するレーザー顕微鏡の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明による液晶光学デバイスの好適な実施の形態について詳細に説明する。
この液晶光学デバイスは、光軸方向に沿って複数の液晶素子を有する。各液晶素子は、液晶層と、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極とを有する。そして各液晶素子に設けられる二つの透明電極のうちの少なくとも一方は、液晶光学デバイスを透過する光束に与える位相分布に応じて配置される複数の部分電極により形成される。そして液晶層のうちの互いに隣接する二つの部分電極に対応するそれぞれの領域を透過した部分光束間に対して与えられる位相変調量のレベル差が等しくなるように、部分電極の配置が決定される。さらに、液晶光学デバイスを透過する光束に対する部分電極間の境界の位置が、液晶素子ごとにずれるように、部分電極は配置される。これにより、この液晶光学デバイスは、個々の液晶素子の透明電極のパターンの解像度よりも微細な解像度を持つ位相分布を光束に与える。

なお、液晶光学デバイスに入射する光束が平行光束である場合、光軸から部分電極間の境界までの距離が液晶素子ごとに異なれば、液晶光学デバイスを透過する光束に対する部分電極間の境界の位置が、液晶素子ごとに異なる。一方、液晶光学デバイスに入射する光束が拡散光または収束光である場合、光軸から光束の外周までの距離に対する、光軸から部分電極間の境界までの距離の比が液晶素子ごとに異なれば、液晶光学デバイスを透過する光束に対する部分電極間の境界の位置が、液晶素子ごとに異なることになる。

図１は、本発明の一つの実施形態による液晶光学デバイスの概略構成図である。液晶光学デバイス１は、液晶光学デバイスが配置される光学系の光軸ＯＡに沿って、３個の液晶素子２−１〜２−３と、各液晶素子を制御する制御回路３とを有する。そして液晶光学デバイス１を透過する光束は、各液晶素子２−１〜２−３のそれぞれが有する液晶層を透過することにより、各液晶素子２−１〜２−３によって位相変調される。これにより、液晶光学デバイス１は、光束に対して所望の位相分布、例えば、液晶光学デバイス１が配置された光学系にて発生する波面収差を補正する位相分布を与える。
なお、液晶光学デバイス１が有する液晶素子の数は３個に限られず、２個以上であればよい。

以下、液晶光学デバイス１が有する液晶素子２−１〜２−３について説明する。なお、液晶素子２−１〜２−３は、透明電極の配置パターンを除いて、同じ構造及び機能を有する。そこで以下では、液晶素子２−１についてのみ説明する。

図２（Ａ）は、液晶素子２−１の概略正面図であり、図２（Ｂ）は、液晶素子２−１の概略側面図である。
液晶素子２−１は、液晶層１０と、光軸ＯＡに沿って液晶層１０の両側に略平行に配置された透明基板１１、１２を有する。そして液晶層１０に含まれる液晶分子１５は、透明基板１１及び１２と、シール部材１６との間に封入されている。なお、図２（Ｂ）において、説明のために、液晶分子１５のサイズは、実際の液晶分子のサイズよりも誇張されている。また液晶素子２−１は、透明基板１１と液晶層１０の間に配置された透明電極１３と、液晶層１０と透明基板１２の間に配置された透明電極１４とを有する。なお、透明基板１１、１２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極１３、１４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。また、透明電極１３、１４と、液晶層１０の間には、液晶分子１５を所定の方向に配向させる配向膜（図示せず）が配置されてもよい。

透明電極１３は、光軸ＯＡを中心とする同心円状に配置された、複数の輪帯電極１３−１〜１３−ｎを有する。各輪帯電極は、部分電極の一例である。そして複数の輪帯電極により、液晶層１０のうち、制御回路３によって液晶分子が駆動されることで、液晶素子２−１を透過する光束の位相を変調できる領域であるアクティブ領域全体が覆われる。一方、透明電極１４は、アクティブ領域全体を覆う円形状の一つの電極として形成される。なお、透明電極１４も、透明電極１３と同様に、同心円状に配置された複数の輪帯電極を有してもよい。各輪帯電極と透明電極１４との間にそれぞれ互いに異なる電圧が印加されることにより、個々の輪帯電極に対応する液晶層１０の輪帯状の部分（以下では、便宜上、単に輪帯と呼ぶ）ごとに、異なる位相変調量が光束に与えられる。このため、制御回路３が、各輪帯電極に印加する電圧を調節することで、液晶素子２−１を透過する光束に所望の位相分布を与えることができる。

液晶層１０に封入された液晶分子１５は、例えば、液晶分子１５の長軸方向が、液晶素子２−１に入射する直線偏光の偏光面と略平行となるようにホモジニアス配向される。すなわち、液晶分子１５のそれぞれは、その長軸方向がお互いに平行となり、かつ、透明基板１１、１２と液晶層１０との界面と平行に並んでいる。なお、液晶素子２−２、２−３の液晶層に封入される液晶分子も、液晶素子２−１の液晶分子の配向方向と同じ方向に配向される。

液晶分子１５は、その長軸方向における屈折率と長軸方向に直交する方向における屈折率とが異なり、液晶分子１５の長軸方向に平行な偏光成分（異常光線）に対する屈折率ｎ_eは、液晶分子１５の短軸方向に平行な偏光成分（常光線）に対する屈折率ｎ_oよりも高い。そのため、液晶分子１５をホモジニアス配向させた液晶素子２−１は、１軸性の複屈折素子として振舞う。

液晶分子１５は、誘電率異方性を持ち、一般に液晶分子長軸が電界方向に倣う方向に力が働く。すなわち、液晶分子１５を挟む２枚の透明基板１１、１２に設けられた透明電極１３、１４間に電圧が印加されると、液晶分子１５の長軸方向は、透明基板１１、１２に平行な状態から、印加される電圧に応じて透明基板１１、１２の表面に直交する方向に傾いてくる。このとき、液晶分子１５の長軸に平行な偏光成分の光束を考えると、液晶層１０の屈折率ｎ_ψは、ｎ_o≦ｎ_ψ≦ｎ_e（ｎ_oは常光の屈折率、ｎ_eは異常光の屈折率）となる。そのため、液晶層１０の厚さがｄであると、液晶層１０のうち、電圧が印加された領域を通る光束と印加されていない領域を通る光束の間に、光路長差Δｎｄ（＝ｎ_eｄ−ｎ_ψｄ)が生じる。したがって、その二つの光束間の位相差は、２πΔｎｄ／λとなる。なお、λは、液晶層１０に入射する光束の波長である。また、ある輪帯に印加される電圧がV_aのときの液晶層１０のその輪帯の屈折率がn_aであり、他の輪帯に印加される電圧がV_bのときの液晶層１０のその輪帯の屈折率がn_bであるとすると、その二つの輪帯を透過した光束間に生じる位相差は２π(n_a-n_b)ｄ／λとなる。
なお、液晶層１０に入射する光束の波長によって、液晶層１０の屈折率は変化する。そこで制御回路３が、入射する光束の波長に応じて各輪帯電極に印加する電圧を調節することで、入射する光束の波長によらずに液晶素子２−１を透過する光束に対して所定の位相分布が与えられる。

次に、各液晶素子２−１〜２−３の透明電極１３が有する各輪帯電極の配置パターンの決定方法について説明する。まずは、液晶光学デバイス１に表示したい位相変調プロファイルを決定する。この位相変調プロファイルは、例えば、液晶光学デバイス１を含む光学系全体で発生する、球面収差といった、光軸ＯＡを中心とする対称性の波面収差を補正するように決定される。この場合、位相変調プロファイルは、液晶光学デバイス１を含む光学系全体で発生する波面収差の位相分布と逆の位相分布を表す。

図３は、液晶光学デバイス１が光束に与える対称性の波面収差補正用の位相変調プロファイルの一例を示す図である。図３の上側において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。曲線３００は、位相変調プロファイルを表す。本実施形態では、互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔になるように、位相変調プロファイル３００を分割することにより、輪帯電極の配置パターンが決定される。互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔となる場合、後述するように、隣接する二つの輪帯電極ごとに、同じ抵抗値を持つ抵抗で接続することで位相変調プロファイル３００を離散的に近似する位相変調プロファイル３１０を与えることができる。

図３の下側には、離散的な位相変調プロファイル３１０に対応する輪帯電極のパターン３２０が示される。なお、図３では、輪帯電極間のギャップは実線で示されている。すなわち、実線で区切られた個々のリングまたは円が、中心から順に、それぞれ、一つの輪帯電極３２０−１〜３２０−１１に対応する。この例では、位相変調プロファイル３００の最大位相変調量と最小位相変調量の差が６等分され（すなわち、位相変調量のレベル数が６）、対応する輪帯電極が１１個となる。

さらに、本実施形態では、各液晶素子間で、位相変調量が変化する境界、すなわち、輪帯間の境界が、液晶光学デバイス１を透過する光束の異なる位置となるように、各液晶素子の輪帯電極のパターンが決定される。例えば、液晶光学デバイス１が表示する位相変調プロファイルの最大位相変調量と最小位相変調量の差をM等分（すなわち、位相変調量のレベル数がMであり、Mは2以上の整数）したときの、位相変調量が最小となるレベルからL番目のレベルの位相変調量を光束に与える各液晶素子の輪帯の位置及び範囲は、次式に従って決定される。

ここで、x,yは、光軸に直交する平面における、たがいに直交する二つの軸のそれぞれの座標を表し、F(x,y)は、座標(x,y)における、正規化位相変調プロファイルの位相変調量を表す。正規化位相変調プロファイルは、各液晶素子が表示する位相変調プロファイルをその最大位相変調量が1となるように正規化したものである。またNは、液晶光学デバイス１が有する、同一の偏光方向の光束の位相を変調する液晶素子の数であり、２以上の整数である。kは、同一の偏光方向の光束の位相を変調する液晶素子の番号を表す。例えば、本実施形態では、N=3であり、k=0〜2は、それぞれ、液晶素子２−１〜２−３に対応する。なお、（１）式における番号kは、光軸ＯＡに沿った液晶素子の順序には対応していない。各液晶素子に対応する番号kは、任意の順序に従って決定されればよい。

（１）式が満たされる座標(x,y)の集合がL番目の輪帯の位置及び範囲となる。そして個々の輪帯に、それぞれ、一つの輪帯電極が配置される。すなわち、各液晶素子には、位相変調量の最小値と最大値の差を所定のレベル数で等分割したときの各位相変調量のレベルに相当する位置ごとに、液晶層に印加する電圧が異なる輪帯電極が設けられる。そのため、隣接レベル間の位相変調量の差は、各液晶素子において同一となる。さらに、位相変調量の各レベルについて、位相変調量の最小値と最大値の差を所定のレベル数で等分割したときの隣接レベル間の位相変調量の差を、液晶光学デバイスが有する液晶素子の数で等分割して得られる位相変調量の差だけ、液晶素子ごとにずらす。これにより、各液晶素子の個々の輪帯が、その輪帯の幅の略1/Nずつ、他の液晶素子の輪帯に対してずれるようになる。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、それぞれ、N=3、M=6としたときに、（１）式に従って決定された、液晶素子２−１〜２−３の位相変調プロファイルの一例及び対応する輪帯電極パターンを表す図である。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の上側において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の下側には、液晶素子２−１〜２−３に設けられる輪帯電極のパターン４１１、４２１、４３１を表す。図３と同様に、輪帯電極間のギャップは実線で示されている。

図４（Ａ）の位相変調プロファイル４１０に示されるように、液晶素子２−１(k=0)が与える位相変調量は、6レベルに等分割される。そして、図３の位相変調プロファイル３００に対応する、理想的な位相変調プロファイル４００において、中心の位相変調量と光束の最外周の位相変調量が等しい場合、11個の輪帯が設定される。すなわち、図４（Ａ）の位相変調プロファイルは、先に示した図３の位相変調プロファイル３１０と同一であり、液晶素子２−１の輪帯電極のパターン４１１は、図３で示されている輪帯電極のパターン３２０と同一となる。一方、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）の位相変調プロファイル４２０、４３０に示されるように、液晶素子２−２(k=1)及び液晶素子２−３(k=2)が与える位相変調量は、7レベルに等分割される。そのため、液晶素子２−２、２−３の輪帯電極パターン４２１、４３１では、13個の輪帯が設定される。この場合、隣接する輪帯間の境界の位置が、液晶素子ごとに異なる。

図５は、各液晶素子が光束に与える位相分布のずれを表す図である。また図６は、液晶光学デバイス全体を透過した光束に与えられる位相分布の一例を示す図である。図５及び図６において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。そして図５における曲線４００は、理想的な位相変調プロファイルを表し、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）における位相変調プロファイル４００に対応する。また図６において点線で示される位相変調プロファイル６００は、各液晶素子により与えられる位相変調プロファイルを合成して得られる位相変調プロファイル６１０に対応する、理想的な位相変調プロファイルを表す（すなわち、位相変調プロファイル６００は、各液晶素子についての理想的な位相変調プロファイルの位相変調量の３倍の位相変調量を持つ）。位相変調プロファイル４１０〜４３０は、それぞれ、液晶素子２−１〜２−３が光束に与える位相変調を表し、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）における位相変調プロファイル４１０〜４３０に対応する。図５に示されるように、液晶素子ごとに、位相変調量の隣接レベル間の境界位置が異なる。そのため、図６の位相変調プロファイル６１０に示されるように、液晶光学デバイス１を透過する光束に対して与えられる位相変調量は、35個の輪帯によって18レベルに等分割されたものとなる。このように、各液晶素子が有する透明電極パターンの解像度よりも、液晶光学デバイス１を透過する光束に与えられる位相分布の解像度の方が高くなる。そして位相変調プロファイル６１０の方が、位相変調プロファイル４１０〜４３０よりも、理想的な位相変調プロファイル４００をより適切に近似できる。

なお、各液晶素子における、位相変調量のレベル数Mは、上記の例に限られない。位相変調量のレベル数Mは、液晶光学デバイス１の用途及び仕様に応じて適宜設定されればよい。例えば、位相変調素子のレベル数Mは16であってもよい。すなわち、N個の液晶素子のうちの一つについては、位相変調量の最大値と最小値間の差が16レベルに分割され、他の液晶素子については位相変調量の最大値と最小値間の差が17レベルに分割される。この場合において、液晶素子の数が３個(すなわち、N=3)であれば、液晶光学デバイス１を透過する光束に対して与えられる位相変調量は、48レベルに分割されたものとなる。

液晶層１０の隣接する輪帯間の位相変調量の差を、各輪帯について同一とするためには、隣接する輪帯に設けられた輪帯電極間の液晶層１０に印加する電圧の差も、各輪帯電極について同一とすればよい。そして隣接する輪帯電極間の印加電圧の差が同一となるように、各輪帯電極の印加電圧を設定するために、位相変調プロファイルから、位相変調量が最大となる位置及び最小となる位置に対応する輪帯電極が決定される。そして制御回路３が、最大位相変調量となる印加電圧と最低相変調量となる印加電圧を、それぞれに対応する輪帯電極に加える。また、複数の輪帯電極は、それぞれ隣接する輪帯電極間を同一の電気抵抗を持つ電極（抵抗子）によって接続される。このため、抵抗分割により隣接する輪帯電極間の電圧差は同一となる。また、このように印加電圧を制御することで、各輪帯電極に印加する電圧を独立に制御するよりも、引き出し電極の数を減らすことができるとともに、制御回路３の構成を簡単化できる。

図７は、液晶素子２−１〜２−３がｎ個の輪帯電極を有する場合の、各輪帯電極と印加される電圧との関係を示す図である。図７では、中心電極を輪帯電極１、最外周の輪帯電極を輪帯電極ｎ、最大電圧を印加する輪帯電極を輪帯電極ｍとする。この例では、中心電極の輪帯電極１番目と最外周の輪帯電極ｎ番目に同一の電圧Ｖ１が、輪帯電極ｍ番目に電圧Ｖ２が印加される。

ここで、（１）式より、k=0に対応する液晶素子（例えば、液晶素子２−１）の位相変調量のレベル数はMとなり、k≠0に対応する液晶素子（例えば、液晶素子２−２、２−３）の位相変調量のレベル数(M+1)よりも一つ少ない。そこで、k=0に対応する液晶素子における、最大電圧V2と最小電圧V1の差ΔV₀=(V2-V1)に対して、k≠0に対応する液晶素子における、最大電圧V2と最小電圧V1の差ΔV₁=(V2-V1)は、ΔV₁=ΔV₀(M+1)/Mとなるように設定される。例えば、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示されるように、k=0に対応する液晶素子２−１のレベル数が６であり、液晶素子２−１において最大位相変調量を与えるレベルと最小位相変調量を与えるレベル間の電圧差がVであれば、レベル数が７となる、液晶素子２−２、２−３において最大位相変調量を与えるレベルと最小位相変調量を与えるレベル間の電圧差は7/6Vとなる。

また、各液晶素子の最大位相変調量及び最小位相変調量が、液晶光学デバイス１全体が光束に与える最大位相変調量及び最小位相変調量を、液晶光学デバイス１が有する液晶素子の数で当分した位相変調量となるように、各液晶素子に印加される電圧は決定されればよい。

また、液晶光学デバイス１が光束に与える位相分布は、光軸対称な分布でなくてもよい。例えば、液晶光学デバイス１は、液晶光学デバイス１が配置された光学系全体で生じるコマ収差といった、光軸に対して非対称な波面収差を補正する位相分布を光束に与えられるように、各液晶素子の透明電極１３の配置パターンが決定されてもよい。

図８は、N=3、M=7としたときに、（１）式に従って決定された、液晶素子２−１〜２−３の位相変調プロファイルの他の一例を表す図である。また図９は、液晶光学デバイス１全体を透過した光束に与えられる位相変調プロファイルの他の一例を示す図である。図８に示される理想的な位相変調プロファイル８００、及び、図９に示される各液晶素子が高速に与える位相変調プロファイルを合成したものに対応する理想的な位相変調プロファイル９００は、例えば、液晶光学デバイス１を有する光学系が生じるコマ収差といった非対称な収差を補正するものである。

図８及び図９において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。図８の位相変調プロファイル８１０に示されるように、液晶素子２−１(k=0)が与える位相変調量は、6レベルに等分割される。そして各レベルに対応する液晶層１０の部分ごとに部分電極が配置される。一方、位相変調プロファイル８２０、８３０に示されるように、液晶素子２−２(k=1)及び液晶素子２−３(k=2)が与える位相変調量は、7レベルに等分割される。この場合も、位相変調量の隣接レベル間の境界の位置、すなわち、隣接する部分電極間の境界の位置が、液晶素子ごとに異なる。そのため、図９の位相変調プロファイル９１０に示されるように、液晶光学デバイス１を透過する光束に対して与えられる位相変調量は、18レベルに等分割されたものとなる。このように、液晶光学デバイス１全体が光束に与える位相変調プロファイル９１０と対応する理想的な位相変調プロファイル９００の差は、個々の液晶素子が光束に与える位相変調プロファイル８１０〜８３０と理想的な位相変調プロファイル８００の差よりも小さくなっている。

なお、図８に示されるように、位相変調量の極大点、極小点及び液晶層のアクティブ領域の最外周での位相変調量がそれぞれ異なる場合には、その極大点、極小点及びアクティブ領域の最外周に設けられた部分電極に、引き出し電極を介して、その部分電極が設けられた部分の位相変調量に応じた電圧が制御回路３から供給される。そして、隣接する部分電極間は同一の電気抵抗を持つ電極（抵抗子）によって接続されればよい。

なお、制御回路３から各液晶素子の輪帯電極に電力を供給するための引き出し電極は、それぞれ、光軸ＯＡと直交する面における同じ位置に設けられてもよい。これにより、液晶光学デバイス１に入射する光束のうち、引き出し電極を透過する部分の割合が小さくなるので、液晶光学デバイス１は、その入射光束のより多くの部分に対して所望の位相分布を与えることができる。

以上に説明してきたように、この液晶光学デバイスは、入射する光束に対する部分電極間の境界の位置が液晶素子ごとに異なるように透明電極のパターンが決定される。そのため、この液晶光学デバイスは、個々の液晶素子の透明電極のパターンの解像度よりも微細な解像度を持つ位相分布を透過する光束に与えることができる。そのため、この液晶光学デバイスは、光束に与える理想的でかつ連続的な位相分布と実際に光束に与えられる離散的な位相分布との誤差を少なくすることができるので、光束に対してより適切な位相分布を与えることができる。さらに、この液晶光学デバイスは、液晶光学デバイス全体として光束に与える位相変調量のレベル数よりも、個々の液晶素子が光束に与える位相変調量のレベル数を少なくできるので、個々の液晶素子が有する部分電極の数も少なくて済む。そのため、この液晶光学デバイスは、部分電極間のギャップ及び引き出し電極の数を抑制できる。

なお、各液晶素子における、隣接する二つの部分電極間の複数の境界のうちの一部の境界については、各液晶素子を透過する光束に対して同じ位置となっていてもよい。この場合でも、隣接する二つの部分電極間の複数の境界の他の境界については、各液晶素子を透過する光束に対して異なる位置となるため、液晶光学デバイスは、個々の液晶素子の透明電極のパターンの解像度よりも微細な解像度を持つ位相分布を透過する光束に与えることができる。

また、変形例によれば、液晶光学デバイスは、任意の方向の偏光面を持つ光束についても所望の位相変調を行えるように、上記の液晶素子の組を二組有し、各組の液晶素子の電極の配置パターン及び液晶の配列方向を互いに直交させてもよい。あるいは、液晶光学デバイスは、補正対象とする収差の種類ごとに、上記の液晶素子の組を有してもよい。

さらに他の変形例によれば、隣接する部分電極間の印加電圧の差は異なっていてもよい。すなわち、個々の液晶素子による、位相変調量の隣接レベル間の差はレベルごとに異なっていてもよい。例えば、部分電極が微細になることを避けるために、少なくとも一つの液晶素子において、位相調整量の隣接する二つの極値間の光軸に直交する面に沿った間隔が狭いほど、すなわち、位相調整量が急峻に変化するほど、その間隔に含まれる位相変調量のレベルの数を少なくしてもよい。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、それぞれ、変形例による、図３に示された位相変調プロファイルに相当する位相変調を光束に与えるための、液晶素子２−１〜２−３の位相変調プロファイルの一例及び対応する輪帯電極パターンを表す図である。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）の上側において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）の下側には、液晶素子２−１〜２−３に設けられる輪帯電極のパターン１０１１、１０２１、１０３１が表される。図３と同様に、輪帯電極間のギャップは実線で示されている。なお、この変形例でも、N=3として、（１）式に従って輪帯電極パターンが決定されている。

図１０（Ａ）の位相変調プロファイル１０１０に示されるように、位相変調量が極小値となる光軸の位置０から、位相変調量が極大値となる位置r1までは、図４（Ａ）に示される位相変調プロファイルと同様に、位相変調量は６レベル（すなわち、M=6）に等分割されている。一方、位置r1から、アクティブ領域の最外周となる位置、すなわち、位置r1に隣接する、位相変調量が極小値となる位置r2までは、位相変調量は４レベルに分割されている。特に、位相変調量が急峻になる部分では、隣接レベル間の位相変調量の差が、位置０からr1までの範囲における隣接レベル間の位相変調量の差の２倍になっている。そのため、この変形例では、図３の位相変調プロファイル３００に対応する、理想的な位相変調プロファイル１０００において、図４（Ａ）に示される輪帯電極パターンが有する輪帯の数よりも少ない、9個の輪帯が設定される。

なお、図７に示されるように、位相変調量が極値となる輪帯電極が制御回路３と接続される例では、このような位相変調プロファイルを実現するために、隣接レベル間の位相変調量差が大きくなるほど、対応する二つの輪帯電極を結ぶ抵抗子の抵抗値が大きくなればよい。図１０（Ａ）の例では、液晶素子２−１の輪帯電極のパターン１０１１において、隣接レベル間の位相変調量の差が、他の部分における、隣接レベル間の位相変調量の差の２倍となる部分に相当する、最外周から２番目の輪帯電極１０１１ａと３番目の輪帯電極１０１１ｂとの間に接続される抵抗子、及び、輪帯電極１０１１ｂと最外周から４番目の輪帯電極１０１１ｃとの間に接続される抵抗子は、他の輪帯電極間に接続される抵抗子の抵抗値と比較して、２倍の抵抗値を持つ。

同様に、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）の位相変調プロファイル１０２０、１０３０に示されるように、光軸の位置０から、位相変調量が極大値となる位置r1までは、液晶素子２−２(k=1)及び液晶素子２−３(k=2)が与える位相変調量は、7レベルに等分割される。一方、位置r1から位置r2までは、位相変調量は、それぞれ、５レベル、４レベルに分割されている。そして位相変調プロファイル１０２０及び１０３０においても、位相変調量が急峻になる部分では、隣接レベル間の位相変調量の差が、位置０からr1までの範囲における隣接レベル間の位相変調量の差の２倍になっている。そのため、液晶素子２−２、２−３の輪帯電極パターン１０２１、１０３１では、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示される輪帯電極パターンが有する輪帯の数よりも少ない、11個、10個の輪帯が設定される。なお、この変形例においても、隣接する輪帯間の境界の位置が、液晶素子ごとに異なる。

図１１は、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示される輪帯電極パターンを持つ各液晶素子が光束に与える位相分布のずれを表す図である。また図１２は、液晶光学デバイス全体を透過した光束に与えられる位相分布の一例を示す図である。図１１及び図１２において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。そして図１１における曲線１０００は、個々の液晶素子が光束に与える理想的な位相変調プロファイルを表し、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）における位相変調プロファイル１０００に対応する。位相変調プロファイル１０１０〜１０３０は、それぞれ、液晶素子２−１〜２−３が光束に与える位相変調を表し、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）における位相変調プロファイル１０１０〜１０３０に対応する。また図１２において点線で示される位相変調プロファイル１２００は、各液晶素子により与えられる位相変調プロファイルを合成して得られる位相変調プロファイル１２１０に対応する、理想的な位相変調プロファイルを表す。図１１に示されるように、液晶素子ごとに、位相変調量の隣接レベル間の境界位置が異なる。そのため、図１２の位相変調プロファイル１２１０に示されるように、液晶光学デバイス１を透過する光束に対して与えられる位相変調量は、30個の輪帯によって18レベルに等分割されたものとなる。したがって、この変形例においても、各液晶素子が有する透明電極パターンの解像度よりも、液晶光学デバイス１を透過する光束に与えられる位相分布の解像度の方が高くなる。またこの変形例では、上記の実施形態と比較して、個々の輪帯の幅のうちの最小となる幅が広くなるので、透明基板上での透明電極パターンの形成が容易となる。

また、位相変調量の隣接レベル間の差を個別に調節する場合には、各液晶素子の各部分電極は、互いに絶縁され、各部分電極は、それぞれ、引き出し電極を介して、制御回路から個別にその部分電極が設けられた部分が光束に与える位相変調量に応じた電圧を受ければよい。

図１３は、本発明の一つの実施形態または変形例による液晶光学デバイスを備えたレーザー顕微鏡１００の概略構成図を示している。コヒーレント光源であるレーザー光源１０１から出射したレーザー光束は、コリメート光学系１０２により平行光に調整され、その平行光は、上記の実施形態または変形例による液晶光学デバイス１０３を透過した後、対物レンズ１０４によって試料１０５上に集光される。試料１０５により反射または散乱した光束もしくは試料により発生した蛍光等、試料の情報を含んだ光束は、光路を逆にたどり、ビームスプリッター１０６で反射され、第２の光学系であるコンフォーカル光学系１０７で再び共焦点ピンホール１０８上に集光される。そして、共焦点ピンホール１０８が、試料の焦点位置以外からの光束をカットするので、検出器１０９でSN比の良好な信号が得られる。なお、レーザー光源１０１は、放射するレーザーの波長が異なる複数のレーザー光源を有していてもよい。

ここで、対物レンズ１０４を含む、レーザー光源１から光束の集光位置までの光学系により発生する波面収差を見積もり、その波面収差をキャンセルするような位相分布を位相変調プロファイルとして液晶光学デバイス１０３に表示することで、このレーザー顕微鏡１００は、結像性能を向上させる。

また、以上説明してきた実施形態では、本発明の液晶光学デバイスをレーザー顕微鏡などの光学系の収差補正に用いる例を示したが、本発明は、これらの実施例に限られるものではない。例えば、本発明の液晶光学デバイスは、光軸対称な屈折率分布レンズとして用いられてもよい。

１ 液晶光学デバイス
２−１〜２−３ 液晶素子
３ 制御回路
１０ 液晶層
１１、１２ 透明基板
１３、１４ 透明電極
１３−１〜１３−ｎ 輪帯電極（部分電極）
１５ 液晶分子
１６ シール部材
１００ レーザー顕微鏡
１０１ レーザー光源
１０２ コリメート光学系
１０３ 収差補正デバイス
１０４ 対物レンズ
１０５ 試料
１０６ ビームスプリッター
１０７ コンフォーカル光学系
１０８ 共焦点ピンホール
１０９ 検出器

Claims (6)

1. 光軸に沿って配列されたＮ個の液晶素子を有し、かつＮは２以上の整数である液晶光学デバイスであって、
   前記Ｎ個の液晶素子のそれぞれは、
   所定の方向に配向された液晶分子が封入された液晶層と、
   前記液晶層を挟んで対向するように配置された二つの透明電極とを有し、
   前記二つの透明電極のうちの少なくとも一方は、複数の部分電極を有し、かつ、前記液晶層を透過する光束に与える、前記光軸から前記光束の最外周の間に位相変調量の極値を持つ位相分布における位相変調量の最大値と最小値の差を所定のレベル数で分割したときの各レベルごとに、当該レベルの位相変調量を前記光束に与える前記液晶層の部分に前記複数の部分電極の少なくとも一つが配置され、かつ、前記複数の部分電極のそれぞれの前記光軸から離れる方向の幅は、当該部分電極に対応する位置での前記光軸から離れる方向に沿った前記位相分布における前記位相変調量の変化が緩やかなほど広くなり、
   前記光束に対する、隣接する二つの前記部分電極間の境界の位置が前記液晶素子ごとに異なる箇所を有し、
   前記Ｎ個の液晶素子のうちの少なくとも一つにおいて、
   前記位相変調量の隣接する二つの極値のそれぞれに相当する、前記光軸に直交する面における位置の間隔が小さいほど、当該間隔に含まれる位相変調量のレベルの数が少なくなるように前記複数の部分電極が配置されることを特徴とする液晶光学デバイス。
2. 各レベルの位相変調量が、前記位相変調量の最大値と最小値の差を前記所定のレベル数で等分割したときの隣接レベル間の差に相当する位相変調量を前記Ｎで等分割して得られる位相変調量の差ずつ、前記液晶素子ごとにずれるように、各液晶素子について前記複数の部分電極が配置される、請求項１に記載の液晶光学デバイス。
3. 前記光軸に直交する面における、前記複数の部分電極に電力を供給する引き出し電極の位置が前記複数の液晶素子のそれぞれについて同一である、請求項１または２に記載の液晶光学デバイス。
4. 前記Ｎ個の液晶素子のそれぞれについて、前記複数の部分電極のそれぞれと対向する前記透明電極との間に、前記液晶層のうちの当該部分電極が設けられた部分を透過する光束に与える位相変調量の前記レベルに応じた電圧を印加する制御回路をさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の液晶光学デバイス。
5. 前記Ｎ個の液晶素子のそれぞれについて、前記複数の部分電極のうちの互いに隣接する二つの部分電極は、それぞれ抵抗子によって接続され、
   前記制御回路は、前記位相変調プロファイルにおける位相変調量が極大値となる位置に対応する前記部分電極及び前記位相変調量が極小値となる位置に対応する前記部分電極と、対向する前記透明電極との間に、それぞれ、前記位相変調量が極大値及び極小値となるように電圧を印加する、請求項４に記載の液晶光学デバイス。
6. 前記Ｎ個の液晶素子のうちの第１の液晶素子についての前記所定のレベル数は第１のレベル数であり、前記Ｎ個の液晶素子のうちの他の液晶素子についての前記所定のレベル数は前記第１のレベル数に１を加えた第２のレベル数であり、
   前記制御回路は、前記第１の液晶素子における、前記複数の部分電極のうちの前記位相変調量の最大値に対応する部分電極と対向する前記透明電極との間に印加される電圧と、前記位相変調量の最小値に対応する部分電極と対向する前記透明電極との間に印加される電圧との第１の電圧差に対する、前記他の液晶素子における、前記複数の部分電極のうちの前記位相変調量の最大値に対応する部分電極と対向する前記透明電極との間に印加される電圧と、前記位相変調量の最小値に対応する部分電極と対向する前記透明電極との間に印加される電圧との第２の電圧差の比が、前記第１のレベル数に対する前記第２のレベル数の比と等しくなるように、各液晶素子の各部分電極と対向する前記透明電極との間の電圧を制御する、請求項４または５に記載の液晶光学デバイス。

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