JP6494767B2 - 色消し位相変調器および光学用具 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様によると、第1の態様の色消し位相変調器において、駆動電気信号が印加されない状態では、第1液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のそれぞれの液晶分子の配向方向は、共に第1配向方向であり、第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のそれぞれの液晶分子の配向方向は、一方は第4配向方向であり他方は第5配向方向であることが好ましい。
本発明の第3の態様によると、第1または第2の態様の色消し位相変調器において、第2配向方向と第4配向方向とは同一であり、第3配向方向と第5配向方向とは同一である。
本発明の第4の態様によると、第1の態様の色消し位相変調器において、複数の液晶素子は、さらに、入射光の光路上に直列に配置され、第3の屈折率波長依存性を有する液晶材料からなる一組の液晶素子により構成される第3液晶素子グループからなり、第3液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のうち、一方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、駆動電気信号の印加状態に応じて、第1配向方向と、第1配向方向に直交する第6配向方向とを含む面内において変化させることが可能であり、他方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、駆動電気信号の印加状態に応じて、第1配向方向と、第1配向方向および第6配向方向の両方に直交する第7配向方向と、を含む面内において変化させることが可能であり、第3液晶素子グループを構成する一組の液晶素子の液晶材料の厚さは実質的に等しく、制御部は、複数の液晶素子のそれぞれに印加する駆動電気信号を制御して、複数の液晶素子毎に個別に液晶分子の配向方向を、第1変調量を実現する第1変調状態と、第1変調量とは異なる第2変調量を実現する第2変調状態とを設定することが可能であり、任意の波長について、第1液晶素子グループ、第2液晶素子および第3液晶素子グループのうちの二つのグループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が第1変調状態における場合の方が第2変調状態における場合より大きく、残りの一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が第1変調状態における場合の方が第2変調状態における場合より小さいか、または、第1液晶素子グループ、第2液晶素子および第3液晶素子グループのうちの一つのグループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が第1変調状態における場合の方が第2変調状態における場合より大きく、残りの二つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が第1変調状態における場合の方が第2変調状態における場合より小さい。
本発明の第5の態様によると、第4の態様の色消し位相変調器において、駆動電気信号が印加されない状態では、第1液晶素子グループ、第2液晶素子グループおよび第3液晶素子グループのすべてにおいて、それぞれの液晶素子グループを構成する一組の液晶素子の液晶分子の配向方向は、すべて第1配向方向であることが好ましい。
本発明の第6の態様によると、第4または第5の態様の色消し位相変調器において、第2配向方向、第4配向方向および第6配向方向のうち少なくとも二つの配向方向は同一であり、第3配向方向、第5配向方向および第7配向方向のうち少なくとも二つの配向方向は同一であることが好ましい。
本発明の第7の態様によると、第1〜第6のいずれかの態様の色消し位相変調器において、制御部は、それぞれの液晶素子グループにおいて、構成する一組の液晶素子に対して実質的に同じ制御電気信号を印加することが好ましい。
本発明の第8の態様によると、第1〜第7のいずれかの態様の色消し位相変調器において、入射光の波長は可視範囲であり、液晶素子はいずれもネマティック液晶素子である。
本発明の第9の態様によると、第1〜第8のいずれかの態様の色消し位相変調器において、少なくとも一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子は、互いに隣り合って配置されていることが好ましい。
本発明の第10の態様によると、第1〜第9のいずれかの態様の色消し位相変調器において、少なくとも一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子は、互いに密着して構成されていることが好ましい。
本発明の第11の態様によると、第1〜第10のいずれかの態様の色消し位相変調器において、少なくとも一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子は、一組の基板と基板の間の中央に位置してそれにより一組の液晶素子のそれぞれを隔てる層を有する一体型液晶素子グループを構成することが好ましい。
本発明の第12の態様によると、第11の態様の色消し位相変調器において、一体型液晶素子グループには一系統の駆動電気信号が印加されることが好ましい。
本発明の第13の態様によると、第1〜第12のいずれかの態様の色消し位相変調器において、液晶素子の液晶材料層の厚さは、液晶素子のそれぞれに印加する駆動電気信号を制御することによりゼロと最大位相変調の範囲の全ての位相変調ができるように設定されることが好ましい。
本発明の第14の態様によると、第1〜第13のいずれかの態様の色消し位相変調器において、駆動電気信号は電圧であることが好ましい。
本発明の第15の態様によると、第1〜第14のいずれかの態様の色消し位相変調器において、それぞれの液晶素子グループを構成する一組の液晶素子の液晶材料層の厚さは、いずれも30μm以下であることが好ましい。
本発明の第16の態様によると、第1〜第15のいずれかの態様の色消し位相変調器において、液晶素子はそれぞれ、二次元配列された複数の部分液晶領域に分割されており、液晶素子に配列された部分液晶領域は、別の液晶素子の部分液晶領域と対応し、制御部はそれぞれの部分液晶領域に個別に駆動電気信号を印加するように制御することが好ましい。
本発明の第17の態様によると、光学用具であって、第1〜第16のいずれかの態様の色消し位相変調器からなる。
本発明の第18の態様によると、第17の態様の光学用具において、ヘイズが2%以下であることが好ましい。
本発明は、このような色消し位相変調器からなる光学装置にも関する。光学装置としては、眼鏡レンズ、接眼用バイザー、照準光学系のいずれかでよく、眼鏡レンズは、眼の保護および/または視度矯正に適合するように設計されるが、非矯正(平面または無限焦点)であってもよいし矯正眼鏡レンズであってもよい。矯正レンズは、単焦点、二焦点、三焦点、あるいは累進焦点レンズであってもよい。接眼用バイザーは、マスク、ゴーグル、ヘルメット、あるいはその他のヘッドギアに備えられるものであり、眼の前方に配置されるように設計される。ゴーグルやマスクとしては、スキーゴーグルやスキューバまたはシュノーケリング用マスク、保護ゴーグル、その他の類似の用具が挙げられる。
本発明に係る光学用具は曲面を有する眼鏡レンズとして用いることが可能である。本発明に係る光学用具のヘイズは2%以下であり、0.4%以下であることが好ましい。ヘイズ値は、透過光測定器であるBYK-Gardner 社製のHaze-Guard Plus(c)ヘイズメータ(色差計)を用いてASTM D1003-00に準拠して測定され、これは、その全体はここに参照して組み込まれる。本明細書における全ての「ヘイズ」値はこの基準による。測定器は、まずメーカーの指示に従って佼成し、次に、試料を佼成前の透過光線上に配置して、3つの資料位置におけるヘイズ値を記録し測定し、その平均値を求める。
φo(λ)=2π(d/2)no(λ) /λ+2π(d/2)no(λ) /λ=2πdno(λ) /λ (1)
となる。すなわち、一組の液晶素子グループが図3(a)に示す状態の際に通過した非偏光光には、複屈折が発生せず、その位相変化量は(1)式に従う。
(nx1(λ)+ ny1(λ))/2=(nx2(λ)+ ny2(λ))/2=ne(λ)
とすると次に示す(2)式が得られる。
式(2)から、それぞれの厚さがd/2の一組の液晶素子は、厚さdで平均屈折率が(ne(λ) + no(λ))/2の単一液晶素子のように振る舞うことが推定される。
φe(λ)= 2πne(λ) d/λ (3)
(3)式より、位相変化φe(λ)は、X軸方向の屈折率nx(λ)とY軸方向の屈折率ny(λ)の平均値がne(λ)であって、厚さがdの液晶素子を入射光が通過した場合の位相変化に相当することがわかる。また、入射光が入射する順序は、液晶分子の配向方向が第2配向方向となる液晶素子が先でも、液晶分子の配向方向が第3配向方向となる液晶素子が先でも、同じ結果となることがわかる。
Δφ(λ)=φe(λ)−φo(λ)=2πd(ne(λ)−no(λ))/λ (4)
となる。
neff(λ,α)=1/√[(sin2(α)/ne(λ)+(cos2(α)/no (λ))] (5)
と表せる。
nX1(λ, α) = nY2(λ, α)かつnY1(λ, α) = nX2(λ, α)
となる。一組の液晶素子に偏光面がX軸方向の入射直線偏光が入射する際、入射光に対する屈折率は、第1の液晶素子の通過においてはnX1(λ, α) = neff (λ, α)、第2の液晶素子の通過においてはnX2(λ)=no(λ)である。また、一組の液晶素子に偏光面がY軸方向の入射直線偏光が入射する際、入射光に対する屈折率は、第1の液晶素子の通過においてはnY1(λ)=no(λ)、第2の液晶素子の通過においてはnY2(λ)=neff(λ, α)である。よって、偏光面方向が任意の直線偏光について、一組の液晶素子を通過における屈折率は、neff(λ, α) + no(λ)であり、式(6)が推定される。
(6)式から、それぞれの厚さがd/2の一組の液晶素子は、厚さdで平均屈折率が(neff(λ,α) + no(λ))/2の単一液晶素子のように振る舞うことが推定される。
φe(λ,α)= πd(neff (λ,α) +no(λ))/λ (7)
Δφ1(λ1)=2π[(n12(λ1)−n11(λ1))d1] /λ1
となる。同様に、入射光が第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子を共に通過すると、入射光の波長λ1の成分に対して発生するにより位相変調Δφ2(λ1)は、それぞれの液晶素子の液晶材料層の厚さがd2/2であることから、
Δφ2(λ1)=2π[(n22(λ1)−n21(λ1))d2] /λ1
となる。従って、これらの位相変調の合計位相変調Δφ(λ1)は、
Δφ(λ1)=Δφ1(λ1)+Δφ2(λ1)
=2π[(n12(λ1)−n11(λ1))d1+(n22(λ1)−n21(λ1))d2] /λ1
=2π(x1d1+y1d2) /λ1 (8)
となる。同様に、入射光の波長λ2の成分に対して発生する合計位相変調Δφ(λ2)は、
Δφ(λ2)=2π[(n12(λ2)−n11(λ2))d1+(n22(λ2)−n21(λ2))d2] /λ2
=2π(x2d1+y2d2) /λ2 (9)
となる。なお、既に説明した通り、本実施形態における2種類の液晶材料においてはλ1<λ2なので、
x1=n12(λ1)−n11(λ1) > 0
y1=n22(λ1)−n21(λ1) < 0
x2=n12(λ2)−n11(λ2) > 0
y2=n22(λ2)−n21(λ2) < 0
である。また、
x1−x2> 0
y1−y2< 0
である。
x1+y1<x2+y2
が成り立つ条件が存在する。ここで、x2とy1をそれぞれ移項すると、
x1−x2<y2−y1
となる。この式より、
(x1−x2)d1<(y2−y1)d2 (10)
が成り立つように、第1の屈折率波長依存性を示す液晶材料層の厚さd1と第2の屈折率波長依存性を示す液晶材料層の厚さd2を設定し得ることがわかる。すなわち、
(x1−x2)/(y2−y1)<d2/d1
となるようにd1およびd2を設定できる。
(x1d1+y1d2) /(x2d1+y2d2)=λ1/λ2 (11)
を実現できる。(11)式が成り立つことは、Δφ(λ1)=Δφ(λ2)であることを意味する。すなわち、少なくとも2波長に対して色消し位相変調が成立することを示す。
Δφ(λ1)=2π(x1d1+y1d2+z1d3) /λ1 (12)
となる。ここで、
x1=n12(λ1)−n11(λ1)
y1=n22(λ1)−n21(λ1)
z1=n32(λ1)−n31(λ1)
とする。
Δφ(λ2)=2π(x2d1+y2d2+z2d3) /λ2 (13)
ここで、
x2=n12(λ2)−n11(λ2)
y2=n22(λ2)−n21(λ2)
z2=n32(λ2)−n31(λ2)
となる。
Δφ(λ3)=2π(x3d1+y3d2+z3d3) /λ2 (14)
ここで、
x3=n12(λ3)−n11(λ3)
y3=n22(λ3)−n21(λ3)
z3=n32(λ3)−n31(λ3)
となる。
(x1d1+y1d2+z1d3) /λ1 =(x2d1+y2d2+z2d3) /λ2 =(x3d1+y3d2+z3d3) /λ3 (15)
式(15)が満足される場合、Δφ(λ1)=Δφ(λ2)=Δφ(λ3)となり、このことは、色消し位相変調が少なくとも三つの波長に関して達成されることを意味する。なお、三組の液晶素子グループを構成する6個の液晶素子の配置はどのような順序でも構わない。
<液晶材料の選定>
多種類のネマティック液晶材料を用意する。これらの液晶材料の屈折率波長依存性は、液晶分子が光の進行方向に平行な方向に配向された状態の常光屈折率no(λ)と、液晶分子が光の進行方向に垂直な方向に配向された状態の異常光屈折率ne(λ)の両方に依存する。これら屈折率波長依存性はコーシーの分散公式(Cauchy’s dispersion formula)により示される。このようにして求めた屈折率波長依存性の一例を、図8に模式的に示す。
2π(Δn1(λ)d1+Δn2(λ)d2) /λ=2π (16)
ここで、
Δn1(λ)=n1 e(λ)−n1 o(λ) または n1 o(λ) −n1 e(λ)
Δn2(λ)=n2 e(λ)−n2 o(λ) または n2 o(λ) −n2 e(λ)
n1 e(λ)−n1 o(λ)およびn2 e(λ)−n2 o(λ)はいずれも正であり、n1 o(λ) −n1 e(λ)およびn2 o(λ) −n2 e(λ)はいずれも負である。
(Δn1(400)d1+Δn2(400)d2)=400(nm) (17)
(Δn1(600)d1+Δn2(600)d2)=600(nm) (18)
Δn1(400)、Δn2(400)、Δn1(600)、およびΔn2(600)については、既に記載した通り、コーシーの分散公式から計算により求められるので、(17)式および(18)式からd1およびd2が求まる。このようにして、2種類の液晶材料の様々な組み合わせにおけるそれぞれの液晶材料層の厚さを求めることができる。
(i) 可視光400nm〜700nmの範囲で、2πラジアンに設定した最大位相変調に対して位相変調誤差が8%以下であること。
(ii) 全ての液晶素子において液晶材料層の厚さが30μmを超えないこと。すなわち、d1およびd2が共に30μmを超えないこと。
なお、(ii)の条件は、液晶材料層の厚さが厚い場合には位相変調する際の応答時間が長くなることから設定されたものである。
Δn1(λ)=n1 e(λ)−n1 o(λ) >0
である。また、第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子(E7)の液晶分子の配向方向がそれぞれ、第2配向方向から第1配向方向、および第3配向方向から第1配向方向に変化する際の屈折率変化は、
Δn2(λ)=n2 o(λ) −n2 e(λ) <0
である。
二組の液晶素子グループを構成する合計4個の液晶素子を直列に配置した位相変調器におけるそれぞれの液晶素子の制御について次に説明する。ゼロから最大位相変調2πラジアンまでの間において特定の位相変調を実現するために必要なそれぞれの液晶素子の有効屈折率変化は、波長変化による位相変調誤差を最小とするように繰り返し計算して決定される。このような液晶素子の有効屈折率変化を決定するための方法は複数ある。例えば、液晶分子のあらゆる配向方向における液晶素子の有効屈折率変化を計算することができる(式(5)を参照)。具体的には、ゼロから最大位相変調2πラジアンまでの間のどのような特定の位相変調ΔOkに対しても、第1変調状態は同じ条件とする、すなわち、第1液晶素子グループを構成する一組の液晶素子(MDA-02-2359)の液晶分子の配向方向は共に第1配向方向であり、第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子(E7)液晶分子の配向方向はそれぞれと第2配向方向と第3配向方向である。この第1変調状態を初期状態と呼ぶ。
2π(Δn1(λ,α1)d1+Δn2(λ,α1)d2) /λ=ΔOk (19)
ここで、
Δn1(λ)=n1eff(λ,α1)−n1o(λ) > 0
Δn2(λ)=n2eff(λ,α2)−n2e(λ) < 0
<液晶材料の選定>
実施例1において説明したように、屈折率波長依存性がわかっている複数のネマティック液晶材料から、3種類の液晶材料を選択する。これらの3種類の液晶材料を用いてそれぞれ2個ずつの三組の液晶素子グループからなる、合計6個の液晶素子により位相変調器を構成したと仮定し、この位相変調器で最大位相変調を得る場合のそれぞれの液晶素子グループを構成する液晶素子の液晶材料層の厚さを計算により求める。
2π(Δn1(λ)d1+Δn2(λ)d2+Δn3(λ)d3) /λ=2π (20)
ここで、
Δn1(λ)=n1 e(λ)−n1 o(λ) または n1 o(λ) −n1 e(λ)
Δn2(λ)=n2 e(λ)−n2 o(λ) または n2 o(λ) −n2 e(λ)
Δn3(λ)=n3 e(λ)−n3 o(λ) または n3 o(λ) −n3 e(λ)
n1 e(λ)−n1 o(λ)、n2 e(λ)−n2 o(λ)およびn3 e(λ)−n3 o(λ)はいずれも正であり、n1 o(λ) −n1 e(λ)、n2 o(λ) −n2 e(λ)およびn3 o(λ) −n3 e(λ)はいずれも負である。
Δn1(400)d1+Δn2(400)d2+Δn3(400)d3=400(nm) (21)
Δn1(500)d1+Δn2(500)d2+Δn3(500)d3=500(nm) (22)
Δn1(660)d1+Δn2(660)d2+Δn3(600)d3=660(nm) (23)
Δn1(400)、Δn2(400)、Δn3(400)、Δn1(500)、Δn2(500)、Δn3(500)、Δn1(660)、Δn2(660)およびΔn3(660)については、既に記載した通り、コーシーの分散公式から計算により求められているので、(21)〜(23)式からd1、d2およびd3が求まる。このようにして、様々な3種類の液晶材料の組み合わせに対するそれぞれの液晶材料層の厚さを求めることができる。
(i) 2πラジアンの位相変調誤差が7%以下であること。
(ii) 全ての液晶素子において液晶材料層の厚さが30μmを超えないこと。
Δn1(λ)=n1e (λ)−n1 o (λ) >0
である。また、第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子(MMC-6608を使用)の液晶分子の配向方向が、第1配向方向から第2配向方向、または第1配向方向から第3配向方向に変化する際の屈折率変化は、
Δn2(λ)=n2 e (λ) −n2 o (λ) >0
である。また、第3液晶素子グループを構成する一組の液晶素子(ZLI-4788を使用)の液晶分子の配向方向が、第2配向方向から第1配向方向、または第3配向方向から第1配向方向に変化する際の屈折率変化は、
Δn3(λ)=n3 o(λ) −n3 e(λ) <0
である。
上記のように算出した材料と厚さの組み合わせにおける位相変調について400〜700の波長域の種々の波長の光に対してシミュレーションを行う。最大位相変調である2πラジアンに対しては、既にコーシーの分散公式により求めた常光屈折率no(λ)と異常光屈折率ne(λ)(図8参照)を用いる。最大位相変調である2πラジアン以外の種々の位相変調については、有効屈折率の変化量を繰り返し変化させる計算を行って、位相変調誤差を最小とする。このようにして、400〜700nmの波長域について、0πラジアンから2πラジアンまで0.2πラジアン刻みで位相変調を計算した結果を図11に示す。また、位相変調誤差の算出値を図12に示す。位相変調の増加の違いによる位相シフトの絶対誤差は、400nmから700nmの波長範囲で0.035πラジアンを超えない。より具体的には、液晶分子の配向が、第1変調状態に維持された状態から第2変調状態に変化することによる位相変調ΔOkは、次の式(24)により表せる。
2π(Δn1(λ,α1)d1+Δn2(λ,α1)d2+Δn3(λ,α3)d3) /λ=ΔOk (24)
ここで、
Δn1(λ)=n1eff(λ,α1)−n1o(λ) > 0
Δn2(λ)=n2eff(λ,α2)−n2o(λ) > 0
Δn3(λ)=n2eff(λ,α3)−n3e(λ) < 0
液晶素子の作製方法の一例について次に説明する。一組のガラス基板のそれぞれの一方の表面に、ITO(酸化インジウムスズ)とポリイミドをそれぞれコーティングして電極層と配向層を形成する。ポリイミドを用いることにより、ホモジニアス配向あるいはホメオトロピック配向が可能となる。ホモジニアス配向の場合、配向層は、その近傍で液晶分子をガラス基板に平行、かつ、数°の微小なプレチルト角のラビング方向に配向させるために、一方向にラビングを行なうことが可能である。ホメオトロピック配向の場合、その近傍で液晶分子をガラス基板にほぼ垂直、かつ、ラビングプレチルト角を85〜89°とするために、ポリイミド層を一方向に静かにラビングすることが可能である。
それぞれの液晶素子に所望の屈折率変化を発生させるために、それぞれの液晶素子に印加する電圧を設定する方法の一例について次に説明する。液晶素子による位相変調を測定するために図13に示す位相測定器500を用意する。図13に示す位相測定器500は、波長632.8nmの光を出射するレーザ光源10と、その出射光の光路上に、透過軸が互いに直交するように配置した2個の偏光板(第1の偏光板11と第2の偏光板12)と光強度検出器13を配置して構成される。第1の偏光板偏光板11および第2の偏光板12の間に位相変調を測定する液晶素子を配置する。液晶素子には電圧を印加できるように電源14を接続し、制御装置15により電源14が液晶素子に印加する電圧を制御する。液晶素子は液晶分子の配向方向が基板面に対して平行になった際の配向方向が、2個の偏光板のそれぞれの透過軸と45°の角度となるように配置する。
I’=f(V) (25)
を求める。液晶素子による位相遅れと光強度との間には次の関係が成り立つ。
I’(Δφ)=(1/2)sin2(Δφ/2) (26)
従って、液晶素子への印加電圧と位相遅れの関係が求まる。また、液晶素子の液晶分子の配向方向を、第1配向方向から第1配向方向と第2配向方向の間の特定の状態に変化させるように印加電圧を制御した場合、有効屈折率変化と位相変調の間には次式が成り立つ。
Δφ=2πd(neff(λ)−no(λ)) /λ (27)
既に説明したように、図5は、二組の液晶素子グループによる色消し位相変調器の例として色消し位相変調器100の例を示す。2組の液晶素子グループを構成する各液晶素子は、これらに印加される電圧を供給するための電源14と接続される。制御装置15により電源14から各液晶素子に印加する電圧を制御する。なお、各液晶素子の配置順序に制約はない。入射光がそれぞれの液晶素子グループを構成する液晶素子を通過することで、入射光の位相は色消し位相変調される。
位相変調器の位相変調を測定する方法の一例について次に説明する。図14に示すように、マッハ・ツェンダ(Mach-Zehnder)干渉装置600に、位相変調器100(図5)または200(図7)を配置して位相変調の測定を行う。図14は、位相変調器として図5に示す位相変調器100が配置されているところを示す。レーザ光源31から出射した非偏光光はビームスプリッタ32に入射する。ビームスプリッタ32から出射した光はL1とL2の2つの光路に分離される。光路L1には位相変調器100が配置され、位相変調器100を透過した光は二組の液晶素子グループを構成するそれぞれの液晶素子を通過する際、それぞれの液晶素子に印加された電圧に応じて位相が変調される。変調された光は反射ミラー33で反射されビームスプリッタ35に入射する。光路L2を進む光は反射ミラー34で反射されビームスプリッタ35に入射する。ビームスプリッタ35において、L1とL2の二つの光路は重なった後、必要に応じてレンズにより拡大されてスクリーンSに投影される。ビームスプリッタ35から出射した光は、位相変調された光路L1の光と位相変調されない光路L2の光が重なるために干渉が発生し、スクリーンS上に干渉縞が現れる。
(1)上記実施の形態に係る位相変調器は、複数の液晶素子を直列に配置して構成される。これらの液晶素子は少なくとも二組の液晶素子グループを構成し、異なる液晶素子グループの液晶材料の素子屈折率波長依存性は互いに異なる。第1液晶素子グループを構成する一組の液晶素子と第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子では、有効屈折率の変化が逆向きである。これら複数の液晶素子にそれぞれ所定の駆動電気信号を印加するように制御して入射光の位相変調を行う。これにより、広い波長域の光に対して偏光状態に関わりなく色消し位相変調を行うことが可能となり、このような波長範囲の非偏光光の色消し位相変調を行うことができる。
(2)上記実施の形態に係る位相変調器においては、液晶素子として液晶分子を所定の方向に配向可能なネマティック液晶素子を用いる。このような構成により、簡易な構成により、色消し位相変調器を実現することができる。
(3)上記実施の形態に係る位相変調器においては、各液晶素子にそれぞれ印加する駆動電気信号に応じて、第1変調状態と第2変調状態の様々な組み合わせを設定することが可能である。このような構成により、簡易な制御により色消し位相変調器を実現することができる。
本明細書に記載した実施の形態においては、それぞれの液晶素子グループを構成する一組の液晶素子は互いに離れて配置されているものとして説明した。しかし、液晶素子グループにおいて液晶素子は互いに接触するように配置されてもよい。また、異なる液晶素子グループに属する2個の液晶素子が互いに接触するように配置されてもよい。
隣り合う液晶素子同志が空気層を介さずに互いに密着して固定されるように構成されてもよい。さらに、密着した2個の液晶素子が1個の基板を共有する構成としてもよい。このような構成の色消し位相変調器300を図15に示す。図15において、X軸は紙面に垂直な方向、Y軸は紙面に平行な方向、Z軸は入射光の進行方向に設定される。
それぞれの液晶素子グループを構成する一組の液晶素子は、一組の基板とそれぞれの液晶素子を隔てる隔離層を中央に有する一体型液晶素子グループとして構成されてもよい。隔離層は互いに直交する方向に異方性を持たせた二層のポリマー層で構成する。このような構成により、一体型液晶素子において、ポリマー層の両側の液晶分子を互いに直交する方向に容易に配向させることができる。このような構成の色消し位相変調器400を図16に示す。図16において、X軸は紙面に垂直な方向、Y軸は紙面に平行な方向、Z軸は入射光の進行方向に設定される。
本明細書に記載した実施の形態においては、それぞれの液晶素子について、最大屈折率変化量、すなわち、液晶分子の配向方向が、液晶素子基板面に垂直である場合の常光屈折率no(λ)と液晶素子基板面に平行である場合の異常光屈折率ne(λ)の差に基づいて液晶材料層の厚さを求めた。しかし、本発明はこの例に限定されず、常光屈折率no(λ)に相当する方向と異常光屈折率ne(λ)に相当する方向の間の任意の二つの液晶分子の配向方向における有効屈折率差に基づいて液晶材料層の厚さを求めてもよい。
本明細書に記載した実施の形態においては、それぞれの液晶素子は一体として機能するものとして説明した。しかし、それぞれの液晶素子は二次元配列された複数の部分液晶領域に分割されたものであってもよい。この場合、これらの部分液晶領域に対しては個別に印加電圧を制御できるものとし、さらに、それぞれの液晶基板の部分液晶領域は互いに対応するように構成される。このような構成の色消し位相変調器700を図17に示す。図17において、X軸は紙面に垂直な方向、Y軸は紙面に平行な方向、Z軸は入射光の進行方向に設定される。図17の色消し位相変調器700において、一つの液晶素子に形成されたそれぞれの部分液晶領域701は、別の液晶素子に形成されたそれぞれの部分液晶領域702〜704と対応し、対応関係にある一連の部分液晶領域を光が伝播し、対応関係のない他の部分液晶領域には光が伝播しないように構成される。なお、図17においては、電源や制御装置は省略して図示している。
本明細書に記載した実施の形態においては、2組ないし3組の液晶素子グループを用いて色消し位相変調器を構成したが、3組を超える液晶素子グループを用いて構成してもよい。
2 液晶材料
10、31 レーザ光源
11、12 偏光板
13 光強度検出器
14、214、314、414 電源
15、215、315、415 制御装置
32、35 ビームスプリッタ
33、34 反射ミラー
100、200、300、400、700 位相変調器
701、702、703、704 部分液晶領域
500 位相測定器
600 マッハ・ツェンダ干渉装置
Claims (18)
- 入射光の位相を変調して出射する色消し位相変調器であって、
前記入射光の光路上に直列に配置された複数の液晶素子と、
前記入射光を色消し位相変調するように、前記複数の液晶素子に駆動電気信号を印加する制御部と、を備え、
前記複数の液晶素子は、少なくとも、第1の屈折率波長依存性を有する液晶材料からなる一組の液晶素子により構成される第1液晶素子グループと、第2の屈折率波長依存性を有する液晶材料からなる一組の液晶素子により構成される第2液晶素子グループからなり、
前記第1液晶素子グループを構成する一組の液晶素子の液晶材料層の厚さは実質的に等しく、前記第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子の液晶材料の厚さは実質的に等しく、
前記第1液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のうち、一方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、前記駆動電気信号の印加状態に応じて、前記入射光の進行方向に平行な第1配向方向と、前記第1配向方向に直交する第2配向方向とを含む面内において変化させることが可能であり、他方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、前記駆動電気信号の印加状態に応じて、前記第1配向方向と、前記第1配向方向および前記第2配向方向の両方に直交する第3配向方向と、を含む面内において変化させることが可能であり、
前記第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のうち、一方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、前記駆動電気信号の印加状態に応じて、前記第1配向方向と、前記第1配向方向に直交する第4配向方向とを含む面内において変化させることが可能であり、他方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、前記駆動電気信号の印加状態に応じて、前記第1配向方向と、前記第1配向方向および前記第4配向方向の両方に直交する第5配向方向と、を含む面内において変化させることが可能であり、
前記制御部は、前記複数の液晶素子のそれぞれに印加する前記駆動電気信号を制御して、前記複数の液晶素子毎に個別に前記液晶分子の配向方向を変化させることにより、第1変調量を実現する第1変調状態と、前記第1変調量とは異なる第2変調量を実現する第2変調状態とを設定することが可能であり、
任意の波長について、前記第1液晶素子グループおよび第2液晶素子グループのいずれか一方においては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が前記第1変調状態における場合の方が前記第2変調状態における場合より大きく、前記第1液晶素子グループおよび第2液晶素子グループの他の一方においては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が前記第1変調状態における場合の方が前記第2変調状態における場合より小さい、
色消し位相変調器。 - 請求項1に記載の色消し位相変調器において、
前記駆動電気信号が印加されない状態では、
前記第1液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のそれぞれの前記液晶分子の配向方向は、共に前記第1配向方向であり、
前記第2液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のそれぞれの前記液晶分子の配向方向は、一方は前記第4配向方向であり他方は前記第5配向方向である、色消し位相変調器。 - 請求項1または2に記載の色消し位相変調器において、
前記第2配向方向と前記第4配向方向とは同一であり、前記第3配向方向と前記第5配向方向とは同一である、色消し位相変調器。 - 請求項1に記載の色消し位相変調器において、
前記複数の液晶素子は、さらに、前記入射光の光路上に直列に配置され、第3の屈折率波長依存性を有する液晶材料からなる一組の液晶素子により構成される第3液晶素子グループからなり、
前記第3液晶素子グループを構成する一組の液晶素子のうち、一方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、前記駆動電気信号の印加状態に応じて、前記第1配向方向と、前記第1配向方向に直交する第6配向方向とを含む面内において変化させることが可能であり、他方の液晶素子の液晶分子の配向方向を、前記駆動電気信号の印加状態に応じて、前記第1配向方向と、前記第1配向方向および前記第6配向方向の両方に直交する第7配向方向と、を含む面内において変化させることが可能であり、
前記第3液晶素子グループを構成する一組の液晶素子の液晶材料の厚さは実質的に等しく、
前記制御部は、前記複数の液晶素子のそれぞれに印加する前記駆動電気信号を制御して、前記複数の液晶素子毎に個別に前記液晶分子の配向方向を、第1変調量を実現する第1変調状態と、前記第1変調量とは異なる第2変調量を実現する第2変調状態とを設定することが可能であり、
任意の波長について、
前記第1液晶素子グループ、第2液晶素子および前記第3液晶素子グループのうちの二つのグループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が前記第1変調状態における場合の方が前記第2変調状態における場合より大きく、残りの一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が前記第1変調状態における場合の方が前記第2変調状態における場合より小さいか、または、
前記第1液晶素子グループ、第2液晶素子および前記第3液晶素子グループのうちの一つのグループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が前記第1変調状態における場合の方が前記第2変調状態における場合より大きく、残りの二つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子の屈折率の平均値が前記第1変調状態における場合の方が前記第2変調状態における場合より小さい、色消し位相変調器。 - 請求項4に記載の色消し位相変調器において、
前記駆動電気信号が印加されない状態では、
前記第1液晶素子グループ、前記第2液晶素子グループおよび前記第3液晶素子グループのすべてにおいて、それぞれの液晶素子グループを構成する一組の液晶素子の前記液晶分子の配向方向は、すべて前記第1配向方向である、色消し位相変調器。 - 請求項4または5に記載の色消し位相変調器において、
前記第2配向方向、前記第4配向方向および前記第6配向方向のうち少なくとも二つの配向方向は同一であり、前記第3配向方向、前記第5配向方向および前記第7配向方向のうち少なくとも二つの配向方向は同一である、色消し位相変調器。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
前記制御部は、それぞれの液晶素子グループにおいて、構成する一組の液晶素子に対して実質的に同じ制御電気信号を印加する、色消し位相変調器。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の色消し位相変調器において、
前記入射光の波長は可視範囲であり、
前記液晶素子はいずれもネマティック液晶素子である、色消し位相変調器。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
少なくとも一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子は、互いに隣り合って配置されている、色消し位相変調器。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
少なくとも一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子は、互いに密着して構成されている、色消し位相変調器。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
少なくとも一つの液晶素子グループにおいては、構成する一組の液晶素子は、一組の基板と前記基板の間の中央に位置してそれにより前記一組の液晶素子のそれぞれを隔てる層を有する一体型液晶素子グループを構成する、色消し位相変調器。 - 請求項11に記載の色消し位相変調器において、
前記一体型液晶素子グループには一系統の駆動電気信号が印加される、色消し位相変調器。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
前記液晶素子の前記液晶材料層の厚さは、前記液晶素子のそれぞれに印加する前記駆動電気信号を制御することによりゼロと最大位相変調の範囲の全ての位相変調ができるように設定される、色消し位相変調器。 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
前記駆動電気信号は電圧である、色消し位相変調器。 - 請求項1〜14のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
前記それぞれの液晶素子グループを構成する一組の前記液晶素子の前記液晶材料層の厚さは、いずれも30μm以下である、色消し位相変調器。 - 請求項1〜15のいずれか1項に記載の色消し位相変調器において、
前記液晶素子はそれぞれ、二次元配列された複数の部分液晶領域に分割されており、
前記液晶素子に配列された前記部分液晶領域は、別の前記液晶素子の前記部分液晶領域と対応し、
前記制御部はそれぞれの前記部分液晶領域に個別に前記駆動電気信号を印加するように制御する、色消し位相変調器。 - 請求項1〜16のいずれか1項に記載の色消し位相変調器からなる光学用具。
- 請求項17に記載の光学用具であって、ヘイズが2%以下である光学用具。
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