JP7473928B1

JP7473928B1 - 光スイッチング素子

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Publication number: JP7473928B1
Application number: JP2023192590A
Authority: JP
Inventors: 道行宮下
Original assignee: シンテック株式会社
Priority date: 2023-11-10
Filing date: 2023-11-10
Publication date: 2024-04-24
Anticipated expiration: 2043-11-10

Abstract

【課題】広い範囲を自在に走査でき、しかも光の伝搬効率を高めることが可能な光スイッチング素子を提供する。【解決手段】液晶素子からなる液晶セル層１１、２１と、液晶セル層１１、２１の出射側に設けられ、偏光に応じて回折する偏光回折格子からなる回折層１２、２２とを有する１以上の第１基板１及び１以上の第２基板２が積層されて構成され、最下層にある基板１、２の液晶セル層１１、２１に光ビームを入射する光源部３と、各基板１、２における液晶セル層１１，２１に対して電圧をそれぞれ印加自在とした電圧印加部５とを備え、第１基板１における回折層１２と第２基板２における回折層２２は互いに回折方向が異なるように配置されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、出射される光ビームの出射位置を制御する光ビームステアリングデバイスに関する。

従来より、液晶素子と偏光回折格子とを組み合わせた各種デバイスが提案されている。中でも自動車やロボット用ＬＩＤＡＲへの応用を前提とし、光ビームの出射位置を自在に制御可能な光スイッチング素子への応用も検討されている（例えば、特許文献１～４参照。）。

特許文献１の開示技術によれば、複数の透明電極と複数の透明スペーサが積層された積層体が、液晶内に正極と負極で交互に配列された電極を備えているので、電極に電圧を加える際の方向を透明電極と平行にすることができる。

特許文献２の開示技術によれば、液晶パネルの表裏に傾斜部材であるシリコンウェッジを点対称となるように張り付け、液晶基板に入射される光ビームＬに角度を生じさせることを特徴としている。これにより、ダイレクターに対して斜めに光ビームＬを照射し、リターデーションを生じさせることができる。

特許文献３の開示技術によれば、液晶材料を覆う光配向層について、円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉光ビームを使用して露光されることにより物理的に変化した感光性ポリマーで構成する。これにより、光伝送ネットワーク機器用の再構築可能な光挿入／分岐マルチプレクサへ応用することができ、通信容量を動的に増減できる。

特許文献４の開示技術によれば、液晶と光の位相（偏光）を制御する位相パネルと光の位相（偏光）により複屈折する偏光グレーティングプレートとからなる積層構造で光偏向素子を構成することで高速スイッチを実現することもできる。

ＷＯ２０２２／１８１７８１号公報特開２０２０－１０６６１６号公報特表２０１５－５０５９９５号公報ＷＯ２０１８／１１０４３１号公報

近年において特に広い範囲を自在に走査できる光スイッチング素子に対するニーズが高まっている。これに加えて、光の伝搬効率を高めることが可能な光スイッチング素子に対する社会的な要請も高まっている。従って、上述した特許文献１～４の開示技術に加え、さらにこれらの要請に応えることができる光スイッチング素子の技術の提案が求められている。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、広い範囲を自在に走査でき、しかも光の伝搬効率を高めることが可能な光スイッチング素子を提供することにある。

本発明に係る光スイッチング素子は、液晶素子からなる液晶セル層と、上記液晶セル層の出射側に設けられ、偏光に応じて回折する偏光回折格子からなる回折層とを有する１以上の第１基板及び１以上の第２基板が積層されて構成され、最下層にある基板の液晶セル層に光ビームを入射する光入射手段と、上記各基板における液晶セル層に対して電圧をそれぞれ印加自在とした電圧印加手段とを備え、上記第１基板における回折層と第２基板における回折層は互いに回折方向が異なるように配置され、上記液晶セル層は、スメクチック液晶の液晶素子からなり、上記液晶セル層には、位相差板が更に積層されたことを特徴とする。

第２発明に係る光スイッチング素子は、第１発明において、上記第１基板における回折層と第２基板における回折層は互いに回折方向が直交するように配置されていることを特徴とする。

第３発明に係る光スイッチング素子は、第１発明において、上記光入射手段により入射された光ビームについて上記液晶セル層に印加された電圧に応じて偏光を変化させ、その変化させた光ビームの偏光に応じて上記回折層における回折方向を変化させることを、最下層の上記基板から最上層の上記基板に至るまで順次実行することにより、最上層の上記基板の回折層から出射される光ビームの出射位置を制御することを特徴とする。

上述した構成からなる光スイッチング素子は、入射された光ビームについて液晶セル層に印加された電圧に応じて偏光を変化させ、その変化させた光ビームの偏光に応じて回折層における回折方向を変化させることを、最下層の基板から最上層の基板に至るまで順次実行することにより、最上層の基板の回折層から出射される光ビームの出射位置を制御する。これにより、光の出射位置を広い範囲に亘二次元的に自在に走査することができ、光の伝搬効率を向上させることができる。

図１は、本発明を適用した光スイッチング素子の断面構成図である。図２は、第１基板、第２基板の詳細な構成を示す斜視図である。図３は、本発明を適用した光スイッチング素子の動作について説明するための図である。図４は、スイッチング素子を出射側から視認した平面図である。図５は、第１基板を５段積層させ、その上に第２基板を５段積層させた場合におけるスイッチング素子を出射側から視認した平面図である。図６は、第１基板及び第２基板の数を同数で構成しない例を示す図である。図７は、第１基板と第２基板を交互に千鳥上に積層させる形態を示す図である。図８は、液晶セル層として、スメクチック液晶を用いる場合において、位相差板を積層させる例を示す図である。

以下、本発明を適用した光スイッチング素子について図面を参照しながら詳細に説明をする。

図１は、本発明を適用した光スイッチング素子１０の断面構成を示している。光スイッチング素子１０は、１以上の第１基板１と、１以上の第２基板２とが積層されて構成されている。また光スイッチング素子１０は、光源部３と、偏光素子４と、電圧印加部５と、制御ユニット６とを備えている。

この図１の例では、光スイッチング素子１０の下側から第１基板１ａ～１ｅを５段積層させ、最上層の第１基板１ｅの上層に第２基板２ａ～２ｅを５段積層させている。互いに積層させている基板１、２間は隙間なく互いに面接触させるようにして積層させる。

光源部３は、光ビームを出射する半導体レーザ等で構成される。光源部３に使用される半導体レーザは、半導体の再結合発光を利用した発光素子であり、所定の波長のレーザ光を出射する。この半導体レーザにより出射された光ビームは、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分等、各種偏光成分が混在したものとなっている。光源部３から出射された光ビームは、偏光素子４へ供給される。なお、光源部３の出射端側には、出射された光ビームを平行光とするための図示しないコリメータレンズを別途配設するようにしてもよい。

偏光素子４は、光源部３から出射された光ビームにおける各種偏光成分のうち、例えば円偏光成分を透過させてこれを基板１、２へと導くとともに、他の偏光成分を反射させる。

図２は第１基板１、第２基板２の詳細な構成を示す斜視図である。第１基板１、第２基板２は、共に液晶セル層１１、２１と、これら液晶セル層１１、２１の出射側に設けられた回折層１２、２２とを備えている。液晶セル層１１の入射側、出射側にはそれぞれ透明電極１４ａ、１４ｂが、また液晶セル層２１の入射側、出射側にはそれぞれ透明電極２４ａ、２４ｂが形成されている。これらの透明電極１４、２４に対して上述した電圧印加部５が接続される結果、透明電極１４、２４によって挟持された液晶セル層１１、２１に対して電圧を印加させることで通過する光ビームの偏光状態を変化させることができる。なお、これらの透明電極１４ａの入射側、透明電極１４ｂの出射側には、それぞれガラス層１３ａ、１３ｂが貼着されていてもよい。同様に、透明電極２４ａの入射側、透明電極２４ｂの出射側には、それぞれガラス層２３ａ、２３ｂが貼着されていてもよい。

液晶セル層１１、２１は、液晶素子からなる。液晶素子の例としては、スメクチック液晶、ネマチック液晶、強誘電性液晶等であるが、これらに限定されるものではなく、他のいかなる周知の液晶素子を適用してもよい。

スメクチック液晶は、棒状の分子から構成され、分子配列における方向の規則性と高さ方向の位置の規則性が維持されており、層構造（１次元周期構造）を持つ液晶である。スメクチック液晶として、本発明では、ＳＳＤ（smectic single domain）からなる液晶セルを用いるようにしてもよい。

ネマチック液晶は、その構成分子が配向秩序を持つが、三次元的な位置秩序を持たない液晶である。ネマチック液晶は、棒状分子の長軸が一定の方向に配向しているが、スメクチック液晶とは異なり、層を形成しておらず、分子重心位置に規則性がない。ネマチック液晶としては、例えばＴＮ（Twisted Nematic）、ＶＡ（Vertical Alignment）、ＩＰＳ（In Plane Switching）等を用いるようにしてもよい。

強誘電性液晶（ＦＬＣ：Ferroelectric Liquid Crystal）は、他の液晶と異なり、自発分極を有し、強誘電性を有する。強誘電性液晶は、これにより、他の液晶における外部電場による誘導分極とは異なる、高速な電場応答が可能となる。

回折層１２、２２は、光に応じて回折する偏光回折格子（ＰＧ：Polarization Grating）からなる。偏光回折格子は、液晶分子の異方性を利用して構成されるものであり、高効率で大きな回折角度を実現することができる。ここで回折層１２における偏光回折格子と、回折層２２における偏光回折格子とは、互いに複屈折軸の軸角度が異なるように設定しておく。これにより、第１基板１における回折層１２と第２基板２における回折層２２は、互いに回折方向が異なるように配置することができる。

図１の例において、５段に亘り積層させた第１基板１ａ～１ｅは、何れも回折方向をｘ方向に回折自在となるような回折層１２を設計する。これに対して、この第１基板１ａ～１ｅよりも出射側に５段に亘り積層させた第２基板２ａ～２ｅは、何れも回折方向をｙ方向（図中紙面奥行方向）に回折自在となるような回折層２２を設計する。即ち、第１基板１と第２基板２との間で回折方向が互いに直交するように、回折層１２、２２を設計する。これにより、光源部３から入射される光ビームを、後述するように２次元的に面的にスイッチング制御することが可能となる。

電圧印加部５－１、５－２、・・・５－ｎは、各第１基板１ａ～１ｅにおける各液晶セル層１１及び第２基板２ａ～２ｅにおける各液晶セル層２１に対して設けられている。電圧印加部５－１、５－２、・・・５－ｎは、各第１基板１ａ～１ｅにおける各液晶セル層１１及び第２基板２ａ～２ｅに対してそれぞれ独立して自在に電圧を印加するためのいわゆる液晶駆動部として構成される。各液晶セル層１１、２１は、電圧印加部５－１、５－２、・・・５－ｎによる印加電圧に基づいて、光源部３から入射した光ビームの偏光状態を変化させて出射させることができる。

制御ユニット６は、各電圧印加部５－１、５－２、・・・５－ｎにおける印加電圧を制御するいわゆる中央制御部として構成される。この制御ユニット６を通じて電圧印加部５－１、５－２、・・・５－ｎから各液晶セル層１１、２１における液晶素子に印加する電圧を制御することにより、各液晶セル層１１、２１から出射させる光ビームの偏光状態を調整することができる。制御ユニット６は、例えばパーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等の電子機器に接続されていてもよく、またこのような電子機器自身構成されていてもよい。そして、これらの電子機器において予め取得されたプログラムに基づいて、各液晶セル層１１、２１における液晶素子に印加する電圧を制御するようにしてもよい。

本発明を適用した光スイッチング素子１０は、最上層の基板１、２の回折層１２、２２から出射される光ビームを検出する光検出部７を更に備えるようにしてもよい。この光検出部７は、例えば受光素子や、可視光を投影するスクリーン等で構成されている。この光検出部７を介して、回折層１２、２２から出射される光ビームの検出位置を特定することができる。但し、この光検出部７の構成は必須ではなく省略するようにしてもよい。

次に、本発明を適用した光スイッチング素子１０の動作について説明をする。簡単のため、光スイッチング素子１０を、図３に示すように、１層からなる第１基板１ａと、１層からなる第２基板２ａを積層させて構成した場合を例にとり説明をする。なお、図３においては、実際に第１基板１ａと第２基板２ａとを面接触させて積層させるものの説明のため互いに分離した状態を示している。

先ず光源部３により光ビームを第１基板１に入射させる。光源部３により入射する光ビームとしては、例えば波長が制御されてなると共に、偏光方向として円偏光又はｘ方向に対して０°となる直線偏光等に予め制御されていてもよい。

下層にある第１基板１ａは、このような光ビームが入射側から入射される。光ビームは、この第１基板１ａにおけるガラス層２３ａを通過し、液晶セル層１１へと入射することとなる。

液晶セル層１１は、上述したように電圧印加部５－１を介して印加電圧が制御される。従って、この光ビームが入射する液晶セル層１１に対して印加電圧を制御することで、この光ビーム自体の偏光状態を調整することができる。偏光状態が調整された光ビームは、ガラス層２３ｂを通過した上で、回折層１２へと入射する。

回折層１２に入射した光ビームは、この回折層１２において予め設計された偏光回折格子の複屈折軸の軸角度に応じて回折することとなる。例えば、第１基板１ａにおける回折層１２についても回折方向をｘ方向に回折自在となるように設計しておくことにより、入射される光ビームの回折方向をｘ方向に回折自在とすることができる。光ビームは、既にその下層にある液晶セル層１１において電圧印加部５－１を介して偏光状態が調整されている。このため、光ビームはその調整された偏光状態に応じて、この回折層１２においてｘ方向に回折自在となっている。このように電圧印加部５－１を介した光ビームの偏光状態の調整を介して、この回折層１２におけるｘ方向への回折自体を制御することができる。

第１基板１ａにおける回折層１２を出射した光ビームは、これに面接触する第２基板２ａにおける入射側から入射される。光ビームは、この第２基板２ａにおけるガラス層２３ａを通過し、液晶セル層２１へと入射することとなる。

液晶セル層２１は、上述したように電圧印加部５－６を介して印加電圧が制御される。従って、この光ビームが入射する液晶セル層２１に対して印加電圧を制御することで、この光ビーム自体の偏光状態を調整することができる。偏光状態が調整された光ビームは、ガラス層２３ｂを通過した上で、回折層２２へと入射する。

回折層２２に入射した光ビームは、この回折層２２において予め設計された偏光回折格子の複屈折軸の軸角度に応じて回折することとなる。例えば、第２基板２ａにおける回折層２２についても回折方向をｙ方向に回折自在となるように設計しておくことにより、入射される光ビームの回折方向をｙ方向に回折自在とすることができる。光ビームは、既にその下層にある液晶セル層２１において電圧印加部５－６を介して偏光状態が調整されている。このため、光ビームはその調整された偏光状態に応じて、この回折層２２においてｙ方向に回折自在となっている。このように電圧印加部５－６を介した光ビームの偏光状態の調整を介して、この回折層２２におけるｙ方向への回折自体を制御することができる。このようにして回折層２２を介して回折方向が制御された光ビームは、この第２基板２ａから出射していくこととなる。

即ち、この第２基板２ａを出射した光ビームは、上述したように回折層１２を介してｘ方向に回折方向が制御され、また回折層２２を介してｙ方向に回折方向が制御されたものとなっている。図４は、光スイッチング素子１０を出射側から視認した平面図である。出射側となる第２基板２ａから出射される光ビームの出射位置は、ｘ方向に加えてｙ方向へ二次元的に制御されることとなる。第１基板１ａにおける電圧印加部５－１を介して電圧をＯＮ／ＯＦＦの２段階で切り替えられる場合には、回折層１２を介してｘ方向における回折方向は、その電圧のＯＮ／ＯＦＦを通じて２段階で調整されることとなる。同様に、第２基板２ａにおける電圧印加部５－６を介して電圧をＯＮ／ＯＦＦの２段階で切り替えられる場合には、回折層２２を介してｙ方向における回折方向は、その電圧のＯＮ／ＯＦＦを通じて２段階で調整されることとなる。その結果、出射側となる第２基板２ａから出射される光ビームの出射位置は、ｘ方向に向けて２段階、ｙ方向に向けて２段階で合計４箇所に亘り選択可能となる。そして、その４箇所に亘る出射位置の選択は、電圧印加部５を介した印加電圧を通じて実現できる。このような２次元的な出射位置の調整は、回折層１２における偏光回折格子と、回折層２２における偏光回折格子とは、互いに複屈折軸の軸角度が異なるように設定することで実現することができる。

このように本発明を適用した光スイッチング素子１０は、入射された光ビームについて液晶セル層１１、２１に印加された電圧に応じて偏光を変化させ、その変化させた光ビームの偏光に応じて回折層１２、２２における回折方向を変化させることを、最下層の基板１、２から最上層の基板１、２に至るまで順次実行することにより、最上層の基板１、２の回折層から出射される光ビームの出射位置を制御する。これにより、光の出射位置を広い範囲に亘り二次元的に自在に走査することができる。またガラス層２３ａ、ガラス層２３ｂの各表面に反射防止膜をコーティングすることにより、又は各ガラス層２３ａ、ガラス層２３ｂ間に空気が入らない様にマッチングオイルなどを塗布する工夫を施すことにより、光の伝搬効率を向上させることができる。このときガラス層２３ａ、ガラス層２３ｂにマッチングオイルを塗布する以外に、例えば透明な光学接着剤を用いて貼り合わせるようにしてもよい。

上述した実施形態においては、説明の便宜上、１層からなる第１基板１ａと、１層からなる第２基板２ａを積層させて構成した場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではない。図１に示すように、下側から第１基板１ａ～１ｅを５段積層させ、最上層の第１基板１ｅの上層に第２基板２ａ～２ｅを５段積層させることで、入射される光ビームを電圧印加部５を介して印加電圧を通じてｘ方向、ｙ方向に自在に回折させることができる。その結果、図５に示すように光ビームの出射位置を更に広くすることができ、しかも選択可能な出射位置を２次元的にさらに増やすことができる。各基板１、２を通じて２段階に亘り出射位置を制御できる場合には、図５に示すように、第１基板１ａ～１ｅ、第２基板２ａ～２ｅで合計１０階層で構成する場合、２¹⁰箇所に亘り出射位置を調整できる。即ち、積層する基板１、２の階層数ｎに応じて、光ビームの出射位置は２ⁿ箇所に亘り調整することができる。

また基板１、２は、最下層が第１基板１となっており、最上層が第２基板２となっている場合を例に取り説明をしたが、これに限定されるものではなく、最下層、最上層ともに、第１基板１、第２基板２の何れを割り当てるようにしてもよい。

なお、第１基板１及び第２基板２の数は必ずしも同数である場合に限定されるものではない。図６（ａ）は、第１基板１ａ～１ｃの３層と、第２基板２ａ～２ｄの４層で構成した場合を示すが、その光ビームの出力位置は図６（ｂ）に示すように８×１６の１２８箇所に亘り自在に制御することができる。層数をＮとするとき２^N通りの場所に光を放射することができる。４層構造の場合は２⁴＝１６箇所の異なる点に光を照射することができる。

また、上述した実施の形態においては、入射側である下層から第１基板１を連続的に積層し、第２基板２をその上層に連続的に積層させる場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではない。図７は、第１基板１と第２基板２を交互に千鳥上に積層させる形態を示しているが、かかる場合も同様に光ビームの出射位置を２次元的に調整することが可能となる。また第１基板１、第２基板２を完全に交互に積層させる場合に限定されるものではなく、一部においてこれら第１基板１のみ、第２基板２のみを連続的に積層させる部分が含まれていてもよいことは勿論である。

また、上述した実施の形態においては、第１基板１と、その第１基板１における回折層１２と複屈折軸の軸角度が互いに異なる回折層２２を有する第２基板２の２種類で構成する場合を例に取り説明をしたが、これに限定されるものではない。第１基板１の回折層１２、第２基板２の回折層２２とその回折方向が異なる回折層を液晶セル層に対して積層させた他の基板を含めて構成してもよい。

図８は、液晶セル層１１、２１として、スメクチック液晶（ＳＳＤ）を用いる場合において、位相差板２９を積層させる例を示している。位相差板２９としては、例えば波長板（１／４波長板等）を用いるようにしてもよい。この位相差板２９は、液晶セル層１１、２１の入射側に設けるようにしてもよいし、出射側に設けるようにしてもよい。さらにこの位相差板２９は、液晶セル層１１、２１を入射側、出射側から挟み込むように介装させて構成するようにしてもよい。このような位相差板２９を設けることにより、回折角をより大きくする場合の応答性能、効率を高めることができる。

１第１基板
２第２基板
３光源部
４偏光素子
５電圧印加部
６制御ユニット
７光検出部
１０光スイッチング素子
１１、２１液晶セル層
１２、２２回折層
１３、２３ガラス層
１４、２４透明電極
２９位相差板

Claims

液晶素子からなる液晶セル層と、上記液晶セル層の出射側に設けられ、偏光に応じて回折する偏光回折格子からなる回折層とを有する１以上の第１基板及び１以上の第２基板が積層されて構成され、最下層にある基板の液晶セル層に光ビームを入射する光入射手段と、
上記各基板における液晶セル層に対して電圧をそれぞれ印加自在とした電圧印加手段とを備え、上記第１基板における回折層と第２基板における回折層は互いに回折方向が異なるように配置され、
上記液晶セル層は、スメクチック液晶の液晶素子からなり、
上記液晶セル層には、位相差板が更に積層されたことを特徴とする光スイッチング素子。
上記第１基板における回折層と第２基板における回折層は互いに回折方向が直交するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチング素子。
上記光入射手段により入射された光ビームについて上記液晶セル層に印加された電圧に応じて偏光を変化させ、その変化させた光ビームの偏光に応じて上記回折層における回折方向を変化させることを、最下層の上記基板から最上層の上記基板に至るまで順次実行することにより、最上層の上記基板の回折層から出射される光ビームの出射位置を制御することを特徴とする請求項１記載の光スイッチング素子。