KR940004570B1

KR940004570B1 - 가변 초점 장치

Info

Publication number: KR940004570B1
Application number: KR1019900700705A
Authority: KR
Inventors: 세이지 니시와끼; 요시나오 다께도미; 신지 우찌다; 다가아끼 도미다; 준이찌 아사다
Original assignee: 마쓰시다 덴끼 산교오 가부시기가이샤; 다니이 아끼오
Priority date: 1988-08-05
Filing date: 1989-08-02
Publication date: 1994-05-25
Also published as: EP0387354B1; DE68919208T2; EP0387354A1; KR900702402A; WO1990001722A1; DE68919208D1; US5193130A; EP0387354A4

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

가변 초점 장치

[도면의 간단한 설명]

제1도는 종래의 광편향 장치를 도시한 투시도.

제2도는 본 발명의 제1실시예에 의한 가변 초점 장치를 일부분을 나타낸 단면 구성도.

제3a도 및 제3b도는 제2도의 가변 초점 장치에 이용된 신호파의 진폭 변조를 나타낸 설명도.

제4a도-제4c도는 액정층의 분자 배향 방향의 변화와 굴절율 분포의 변화를 나타낸 설명도.

제5a도 및 제5b도는 본 발명에 있어서 진폭 변조 신호의 진폭(V)과 등가 도파층의 두께(Teff)사이의 관계 및 등가 도파층의 두께(Teff)와 등가 굴절율(N)사이의 관계를 각각 도시한 도표.

제6a도 및 제6b도는 액정의 굴절율의 이방성(異方性)이 편광에 미치는 영향을 나타낸 설명도.

제7도는 본 발명의 제2실시예에 의한 가변 초점 장치의 일부분을 나타낸 단면 구성도.

제8도는 본 발명의 제1실시예에 있어서의 가변 초점 장치의 개략 설명도.

제9도는 본 발명의 제3실시예에 있어서의 도파광을 중심으로 부터 방사상 방향으로 전달시키는 실시예를 나타낸 단면 설명도.

제10도는 본 발명의 제3실시예에 있어서의 가변 초점 장치의 설명도.

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 광의 방향을 변화시켜 제어하는, 특히 광의 집광점(集光點)을 변위시켜 제어하는 장치에 관한 것이다.

[종래의 기술배경]

종래의 기술은, 예컨대 문헌[일본국의 西原浩등, "光集積回路", OHM사출판, 328페이지]에 기재된 LiNbO₃, 도파로(導波路)를 사용한 음향 광학 브레그 셀(acoustooptic Bragg cell) 및 제35회 응용물리학 관련 연합강연회 28a-ZQ-4의 강연에 발표된 SAW광편향 장치를 토대로 설명되고 있다. 제1도는 종래의 광편향 장치의 구성을 나타낸 것이다. 제1도에서 Ti확산 도파층(導波層)(28)은 LiNbO₃기판(27)위에 형성되어 입력 프리즘(29)에 입사하는 레이저광(30)는 도파층(28)를 통해 전파하는 도파광(31)으로 되고, 도파광(31)은 SAW광편향 장치(32)에 의해 투과 도파광(33)과 회절 도파광(34)으로 분리된다. 이들 도파광은 자각 출력 프리즘(35)에 의하여 방사되어 투과광(36)과 회절광(37)으로 된다. 회절도파광(34)의 굴절각은 SAW광편향 장치에 의해 발생되는 탄성파(38)의 피치에 의해 결정되며, 회절 도파광(34)의 회절각, 즉 회절광(37)의 방사방향을 SAW광편향 장치(32)에 가해지는 탄성 신호에 의해 변화시킬 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 광편향 장치는 다음과 같은 단점이 있다. 즉, SAW광편향 장치에 의해 발생된 회절각의 변화가 미소하므로 SAW광편향 장치에 의해 회절광을 크게 편향시킬 수 없었다. 즉, 종래의 광편향 장치에 의하여 광의 집광점을 이동시킬 경우 그 집광 위치를 크게 변화시킨다는 것은 불가능하였다.

더구나 편향되는 것은 회절광이므로 그 입력광(30)의 에너지 이용률은 낮았다.

[본 발명의 요약]

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 이러한 문제점을 해소하여 광을 크게 편향함으로써 광의 집광 위치를 크게 변화시킬 수 있고 에너지 이용 효율이 높은 극히 신규한 가변 초점 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따라 기판위에 전도성 박막을 형성하고, 전도성 박막위에 투명층을 사이에 끼워 도파층을 형성하며, 투명 전도성 박막과 도파층 사이에 액정층을 삽입하여 표면에 투명 전도성 박막이 형성된 투명 기판을 밀착시키고, 도파층에는 도파광의 전파 방향에 따라 동심원상의 그 표면에 주기구조를 헝성함으로써, 이 동심원상의 주기 구조에 의해 도파광이 방사되어 방사광으로 방사되고, 도파층밖의 하나 또는 몇개의 집광점에 집광하여 전도성 박막과 투명 전도성 박막 사이에 전압 신호를 가함으로서 그 집광점의 위치을 변화시킴을 특징으로 하는 가변 초점 장치를 제공하는 것이다. 더구나, 본 발명의 가변 초점 장치는 액정층의 분자를 배향(align)시키는 배향 수단이 도파층 또는 투명 전도성 박막의 표면에 구성되어 있어서 그 배향 방향은 도파광의 전파 방향과 평행 또는 수직함을 특징으로 하고 있다.

본 발명 장치의 또 다른 특징으로서, 주기 구조를 동심원 형상으로 형성하고, 도파광을 주기 구조에 수직으로 전파시키며, 도파층으로 부터의 방사광을 도파층밖의 하나 이상의 집광점에 집속시킴으로써 전도성 박막과 투명 전도성 박막 사이에 가해지는 전압 신호에 의하여 집광점의 위치를 변경시킴을 특징으로 한다.

더욱이, 전도성 박막 또는 투명 전도성 박막을 많은 영역으로 나누어 각 분할 영역에 각각의 전압 신호를 독립하여 가함으로써 각 영역으로 부터 방사되는 광의 집광점의 위치를 독립하여 변경시켜도 좋다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

본 발명의 몇가지 실시예를 제2도-제10도에 따라 설명한다.

제8도는 본 발명의 제1실시예에 있어서의 가변 초점 장치의 개략 설명도이다. 도파층에 위치한 점(0)을 중심으로 하는 동심원상의 그레이팅(grating)(3G)에 의하여 도파층내에 입력 결합된 광은 점(0)을 중심으로 하는 방사방향으로 전파하는 도파광(8)이 된다. 도파광(8)은 도파층의 외주부의 윤대(輪帶)영역에 위치한 점(0)을 중심으로 하는 동심원상 그레이팅(3G)에 의하여 도파층의 외부로 방사되어 방사광(9)이 된다.

동심원상 그레이팅(3G)이 내주(內周)쪽으로 부터 외주쪽으로 피치를 연속적으로 변조시켜 형성되어 있으므로 방사광(9)은 도파층밖의 점(F)에 집광한다. 전도성 박막(2)과 투명 전도성 박막(6)과의 사이에 가해지는 전압 신호에 의하여 일어나게 되는 방사광의 편향은 직선(OF)을 따른 집광점(F)의 변위로서 작용한다.

그리고, 그레이팅(3G)은 그 형상이 동심원상이기 때문에, 예컨대 레지스트를 도포한 기판을 회전, 이동시키면서 전자선 등의 에너지 빔을 조사함으로써 고정밀도로 용이하게 형성 할 수 있다.

제2도는 본 발명의 제1실시예에 의한 원리를 나타낸 가변 초점 장치의 일부분을 나타내는 단면 구성도이다. 제2도에서 알 수 있듯이, 기판(1)위에 전도성 박막(2)과 투명층(3) 및 투명층(3)보다 높은 굴절율을 가진 또 다른 투명층(4)이 순차로 형성되어 있다. 투명층(3)위에는 동심원상의 그레이팅(3G)이 형성되어 있고, 그레이팅(3G)과 직교하여 전파하는 도파광(8)을 도파층밖으로 방사시킨다. 투명층(4)표면에는 폴리이미드 등으로 된 투명 배향막(4P)이 형성되어 있다. 그리고, 액정의 배향 수단은 투명 전도성 박막(6)의 표면에 구성하여 좋다. 투명층(4)은 투명 배향막(4P)과 합쳐져서 도파층으로서 기능을 한다. 투명 기판(7)의 표면에는 ITO(indium tin oxide)등으로 만들어진 투명 전도성 박막이 형성되어 있는데, 이것은 액정(5)을 사이에 두고 투명 전도성 필름(4P)과 밀착되어 있다.

도파층(4,4P)을 통해 전파하는 도파광(8)은 그레이팅(3G)에 의하여 액정(5)쪽을 향해 방사되는 광(9)과 기판(1)쪽을 향해 방사되는 광(9')으로 분리된다. 방사광(9')은 전도성 박막(2) 또는 기판(1)의 표면으로 부터 반사되어 방사광(9)에 오우버랩(overlap)된다. 방사광(9)의 회절각(θ)[방사광(9)이 기판 표면에 수직한 법선(10)과 만드는 각, 엄격히 말해 방사광(9)이 최종적으로 공기층중으로 방사될때 방사광(9)과 법선(10)사이의 각]은 다음식과 같이 표현된다. 즉,

sinθ= -N-qλ/ ∧ …………………………………………………… (1)

여기서, λ는 레이저광의 파장, N은 도파로의 등가 굴절율, ∧는 그레이팅(grating)의 피치, q는 결합차수(次數)(두개의 방사 비임에 도파광을 결합하는 경우, q=-1이 됨)이다. 그리고, 그레이팅(3G)은 내주로부터 외주로 향하여 피치(∧)를 연속적으로 변조시켜 형성하기 때문에 (1)식에 의해 방사광(9)의 회절각(θ)도 연속적으로 달라지고 있다. 따라서, 방사광(9)을 도파층밖의 점(F)에 집광시킬 수가 있다.

배향막(4P)은 도파광의 전파 방향 또는 이것과 직교하는 방향으로 러빙(rubbing)되며, 배향막 표면에 근처에서 액정(5)의 배향 방향도 이 러빙 방향과 일치한다. 신호파 발생기(11)에 의해 발생한 신호파는 진폭 변조기(12)에 의해 진폭 변조되고, 발생된 진폭 변조 신호는 전도성 박막(2)과 투명 전도성 박막(6)사이에 가해진다. 그런데, 액정(5)을 배향시키는 배향 수단을 투명 전도성 박막(6)의 표면에 설치하여도 좋다. 전도성 박막(2)과 투명 전도성 박막(6)과의 사이에 가해지는 전압신호에 의하여 액정(5)의 배역이 변하고, (1)식에서의 등가 굴절율(N)이 변화하기 때문에 방사광(9)의 회절각(θ)이 변하며. 이 방사광(9)의 편향을 직성(OF)을 따라 집광점(F)의 변위로서 작용한다.

제3도는 신호파(13)가 진폭 변조되어 진폭 변조 신호(14)로 되는 모습을 나타내는데, 진폭 변조신호(14)의 앤빌로우프 파형(envelope waveform)은 진폭 레벨(V_A)을 중심으로 진동하고 있다. 전극이 가해지는 전압 신호는 액정의 DC전압 인가에 의한 열화(열화)의 문제에서 보면 본 발명의 실시예에서처럼 진폭 변조시키는 쪽이 바람직하며, 신호파(13)를 직접 전극에 인가하여도 좋다.

제4a도-제4c도는 진폭 변조 신호(14)를 가함으로써 발생하는 배향 방향의 변화와 법선 굴절율 분포의 변화를 나타낸 것이다[가로좌표(n)은 굴절율을 나타낸다]. 일반적으로, 액정(5)은 굴절율 이방성을 나타내는데, 즉 정상광에 대한 굴절율(n_O)은 비정상광에 대한 굴절율(n_E)보다 작고, 그 배향 방향의 변화는 기판 법선(10) (x축 방향)과 러빙 방향(z축 방향)을 포함하는 평면내에서 일어난다. 제4a도는 진폭 변조신호(14)의 진폭이 작을 때를 나타내는데, 액정 분자(5A)의 배향 방향은 배향자(4P)표면과 평행하다. 따라서, TM모우드의 도파광(8)이 러빙 방향(z축 방향) 또는 이 러빙 방향에 수직한 방향(y축 방향, 즉 지면에 수직인 방향)으로 전파되면, 도파광(8)에 대한 액정(5)의 굴절율은 정상 광에 대한 굴절율(no)과 같다. 따라서, x축 방향에서의 액정(5)의 굴절율은 분포는 실질적으로 no와 같고 18a의 분포를 나타낸다. 투명층(4)의 필름 두께를 t_F로 하면, 도파층의 등가 도파층 두께(T_EFF)는 t_F와 두개의 에바네센트광(evanescent light)의 비임의 폭이 합으로 나타내어진다. 즉, 도파광(8)이 도파층으로 부터 나와 액정(5)속으로 들어갈 때의 에바네센트광 비임의 폭을 t_a라하고, 도파광이 투명층(3)속으로 들어갈 때의 에바네센트광 비임의 폭을 t_O라 하면, T_eFF= t_o+t_F+t_a가 된다.

더욱이, 액정속을 통해 전파하는 도파광의 전파 손실이 20-30dB/cm로 크지만, 도파광의 총량에 대한 액정(5)내에서 전파하는 에바네센트 광량의 비율은 작으므로 도파광의 전체로서의 전파 손실은 작다.

한편, TE모우드 도파광(8)이 배향 방향에 대해 수직인 방향(y축 방향)으로 전파되면, 도파광(8)에 대한 액정(5)의 굴절율은 비정상광에 대한 굴절율(n_E)과 같다. 따라서, 법선 방향(x축 방향)에서의 액정(5)의 굴절율 분포는 18a'의 분포가 된다. 이 경우에 있어서, 도파광(8)이 도파층에서 나와 액정(5)속으로 들어갈때 에바네센트광 에바네센트광 비임의 폭을 t_a'라 하고, 도파광(8)이 투명층(3)속으로 들어갈 때의 에바네 센트광 비임의 폭을 t_O'로 한다.

제4b도는 진폭 변조 신호(14)의 진폭을 크게 한 경우를 나타내는데, 5B'로 나타낸 바와 같이 액정 분자의 배향이 방향이 배향막(4P)표면과 수직한 방향(x축 방향)으로 변하지만, 배향막(4P)근처의 액정 분자(5B)는 배향막(4P)에 의해 일어나는 배향 유지력이 강력하기 때문에 법선 방향으로 배향되지 않는다.

따라서, TM모우드의 도파광(8)이 z축 방향 또는 y축 방향으로 전파되면, 도파광에 대한 액정(5)의 굴절율은 투명 전도성 박막(6)의 근처에서는 비정상광에 대한 굴절율(n_E)에 가까워지고, 한편 배향막(4P)표면 근처에서는 정상광에 대한 굴절율(n_O)과 가까워진다. 따라서, 법선 방향(x축 방향)에서는 액정(5)의 굴절율 분포는 18b의 분포를 나타낸다. 이때, 도파광이 도파층으로 부터 나와 액정(5)속으로 들어갈 때의 에바네센트광 비임의 폭을 t_b로 하면, t_b>t_a로 된다. 한편, TE모우드의 도파광(8)이 y축 방향으로 전파되면, 도파광에 대한 액정(5)의 굴절율은 투명 전도성 박막(6) 근처에서는 정상광에 대한 굴절율(n_o)과 거의 같은 반면, 배향막(4P)표면 근처에서는 비정상광에 대한 굴절율(n_E)과 거의 같다. 따라서, 법선 방향(x축 방향)에서의 (5)의 굴절율 분포는 18b'의 분포를 나타낸다. 이때, 도파광이 도파층에서 나와 액정(5)속으로 들어갈 때의 에바네센트광 비임의 폭을 t_b'로 하면 t_b' <t_a'이다.

제4c도는 진폭 변조 신호(14)의 진폭을 크게 했을 경우인데, 굴절율 분포[(18b) 및 (18b')]는 각각 분포[(18c) 및 (18c)]에 수렴하고, 에바네센트광 비임의 폭[(t_b) 및 (t_b)]은 각각 폭[(t_c) 및 (t_c)]에 수렴하여, t_c>t_b및 t_c' <t_b'를 만족한다.

결과적으로, TE모우드의 도파광(8)이 y축 방향으로 전파될 때, 진폭 변조 신호(14)의 진폭(V)과 도파층의 등가 두께(T_eff)와의 관계는 제5a도의 그래프와 같다. 이 그래프에서 알 수 있다싶이 진폭 변조 신호(14)의 진폭(V)이 작을 때(V<V_o), 등가 두께(T_eff)는 t_o' +t_f+t_a'와 같다. 반대로, 진폭(V)이 V₁보다 클때, T_eff=t_o'+t_f+t_c'이다. V₀<V <V₁인 경우, 진폭(V)이 증가하는 반면, 등가 두께(T_eff) 감소한다. 따라서, 진폭(V)을 파형(14)으로 나타낸 바와 같이, 진폭(V_A)을 중심으로 변동시키면 T_eff는 t_o'+t_F+t_b'를 중심으로 변동하는 파형(15)으로 된다.

제5b도는 등가 도파충의 두께(T_eff)와 등가 굴절율(N)사이의 관계를 나타낸 것인데, 이 그래프에서 보듯이 등가 굴절율(N)은 등가 도파층의 두께(T_eff)의 증가에 따라 굴절율(n_o)[투명층(3)의 굴절율(n_B)이 (n_o)보다 클 경우에는 (n_B)]로 부터 도파층의 굴절율(n_f)까지 단조 증가하는 곡선(16)이 된다. 상기에서 기술한 것처럼, 만일 등가 두께(T_eff)가 t_o'+t_F+t_b' 를 중심으로 변동하는 파형(15)으로 나타내게 하면, 등가 굴절율(N)은 N 를 중심으로 변동하는 파형(17)을 나타낸다.

식 (1)에서 알 수 있듯이, 등가 굴절율(N)의 변화는 회절각(θ)의 변화에 따라 결정되므로, 방사광의 회절각의 변화는 T_eff의 값의 변동에 의해 결정된다. 이것은 진폭 변조 신호(14)의 진폭(V)을 변동시킴으로써 방사광의 회절각을 변화시킨다는 것을 의미한다. 이 회절각(7)의 변화는 그레이팅 커플러가 동심원상인 경우 집광 위치의 변위가 된다. 진폭 변조 신호(14)의 진폭(V)의 변화에 의해 발생되는 등가 굴절율(N)의 변동폭은 약 (n_F-n_o)x(0.1∼0.3)정도 기대할 수 있는데, 0.1의 변동폭을 등가 굴절율(N)에서 얻는 것으로 하면 회절각(θ)의 변동 중심을 θ=45°로 하여 약 10°정도의 편향, 즉 직경 51의 동심원상 그레이팅 커플러의 집광 위치로 하여 약 1.1mm의 변위가 가능하다. 또한, 배향 유지력이 강한 도파층 표면 근방의 액정(5)의 배향 방향의 변화를 이용하기 때문에 초점 변위의 응답성도 빠르다.

TE모우드의 도파광(8)이 배향 방향에 수직인 방향(y축 방향)으로 전파될 경우의 실시예와 관련지어 제5a도 및 제5b도에서 설명하였으나, 상기 설명은 TM모우드의 도파광(8)이 배향 방향(z축 방향) 또는 그들에 수직인 방향(y축 방향)으로 전파되는 경우도 적용된다. 구체적으로는, 제5a도에서 설명한 것과 마찬가지로, 진폭 변조 신호(14)의 진폭(V)이 V<V₀범위에 있을 때 T_{eff =}t_o'+t_F+t_a'이다. 진폭(V)이 V₁보다 크면 T_{eff =}t_o'+t_F+t_C' 이다. V₀<V<V₁일 때는 진폭(V)이 증가함에 따라 T_eff는 단조 증가하고, 만일 진폭(V)이 V_A를 중심으로 파형(14)에서 처럼 다양하게 변동시키면, T_eff는 파형(15)과 마찬가지로 t_o'+t_F+t_b' 를 중심으로 변동하는 파형을 그린다. 즉, 진폭 변조 신호의 진폭을 제어함으로서 방사광의 편향을 마찬가지로 실현할 수 있다.

그리고, 일반적으로 도파광의 양에 대한 에바네센트 광량의 비율이 클수록 등가 굴절율의 변동의 정도도 커진다. 따라서, 제4a도, 제4b도 및 제4c도에서, 만일 n_O>n_B이면 도파광의 등가 굴절율을 쉽게 변화하며, 특히 만일 n_E>n_F이면 등가 굴절율의 변화를 가장 효율적으로 할 수 있다.

제6a도 및 제6b도는 액정의 굴절율 이방성에 의한 도파광 및 방사광의 편광에 미치는 영향을 나타낸 설명도이다. 제6a도에 있어서, 8G는 도파광의 광선의 이동을 나타내고, 8E로 나타낸 바와 같이 에바네센트광은 액정속으로 들어간다. 또한, 방사광(9)은 일반적으로 액정을 비스듬하게 가로지르는 광선이다. 제6b도에서 5D, 5E 및 5G는 모두 액정의 굴절율 이방성을 표시하는 굴절율 타원체들인데, 각각 제4도에서의 액정 분자(5A),(5B') 및 (5B)에 상당하다. 이들 타원체는 길이가 n_E인 장축과, 이 장축에 수직하고 길이가 n_o인 두개의 단축으로 나타내어지며, 장축은 x-z평면내에 있다. 도파광이 z축 방향으로 이동하는 TE모우드 광이면 도파광의 전계 벡터는 y축 방향(지면에 수직)에 있고, TM모우드 광이면 그 전계 벡터는 x축 방향에 있다. 또한, 도파광이 y축 방향으로 TE모우드광이면 그 전계 벡터는 z축 방향에 있고, TM모우드광이면 그 전계 벡터는 x축 방향에 있다. 일반적으로, 굴절율 이방성의 매질내를 전파함으로써 직선 편광의 광이 받는 편광 영향은 직선 편광의 전파 방향에 수직인 평면에서 굴절율 타원체를 절단한 타원형상의 절단부분과 직선 편광의 전동면의 위치관계에 따라 결정된다. 즉, 진동면과 절단부분의 타원의 장축이 평행하거나 직교하는 관계에 있으면, 광의 액정의 이방성의 영향을 받지 않고 직성 편광 그대로 이지만, 평행, 직교 관계를 벗어나면 광은 타원형의 편광으로 된다. 따라서, 굴절율 타원체가 제6b도에서 5D인 경우에는 z축 방향 또는 y축 방향으로 전파하는 TM모우드 또는 z축 방향으로 전파하는 TE모우드의 도파광의 진동면은 절단 부분 타원형의 장축에 수직이므로, 이들 에바네센트광[액정내로 들어가는 광파(8E)]의 직선 편광성은 유지되고, y축 방향으로 전파하는 TE모우드의 도파광의 진동면은 절단부분 타원형의 장축과 평행하여 그 에바네센트광의 직선 편광성도 유지된다. 따라서, 액정충을 통과하여 도파층에 되돌아도는 에바네센트광은 원래의 모우드 그대로이고 액정의 이방성에 의한 편광 영향은 없다. 마찬가지로, z축 방향 또는 y축 방향으로 전파하는 TM모우드 또는 z축 방향으로 전파하는 TE모우드의 도파광으로 부터의 방사광(9)의 직선 편광성은 유지되고, y축 방향으로 전파하는 TE모우드의 도파광으로 부터의 방사광(9)의 직선 편광성도 유지된다.

이에 대하여, 굴절율 타원체가 제6b도의 5G로 나타낸 바와 같이 x-z평면내에서 z축에 대해 기울어져 있을 경우, z축 방향으로 전파는 도파광의 에바네센트파는 TE모우드 또는 TM모우드에 관계없이 직선 편광성을 유지하나, y축 방향으로 전파하는 TE모우드 또는 TM모우드의 에바네센트파는 액정의 이방성에 의해 영향을 받아 타원형 편광으로 되며, 도파층으로 되돌아오는 즉시 TE모우드 성분과 TM모우드 성분으로 분리된다. 마찬가지로, z축 방향으로 전파하는 도파광으로 부터의 방사광은 TE모우드 또는 TM모우드에 관계없이 직선 편광성을 유지하는 반면, y축 방향으로 전파하는 TE모우드 및 TM모우드의 도파광으로 부터의 방사광은 액정의 이방성의 영향을 받아 일반적으로 타원형 편광으로 된다.

따라서, 굴절율 타원체의 장축이 z축 대해 기울어져 있고 도파광이 y축 방향으로 전파될 때, 도파광은 TE모우드 성분 및 TM모우드 성분으로 분리되는 동시에, 각각의 모우드의 도파광으로 부터 회절각이 상이한 타원형 편광의 광이 방사된다. 제5도와 관련지어 설명한 바와 같이, TE모우드에서는 V₀<V<V₁일때, T_eff는 진폭(V)가 증가에 따라 단조 감소하는 반면, TM모우드에서는 단조 증가한다. 즉, 같은 신호가 인가되더라도 TE모우드와 TM모우드 사이에서 T_eff변동의 극성이 다르므로 방사광의 편향 방향도 역방향으로 된다. 따라서, 도파광이 TE모우드와 TM모우드로 분리될 때, 방사각에 인접한 두개의 방사광이 발생되고, 같은 전압 신호를 인가할지라도 이들 도파광의 비임의 편향 방향이 서로가 반대가 되므로 가변 초점 장치로서는 바람직하지 않고, 도파광의 전파 방향이 배향 방향(z축 방향)에 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 액정의 배향 방향이 x-z평면내에서 변하더라도 z축 방향으로 전파하는 TE모우드의 도파광에 대한 액정의 굴절율은 n_o그대로이어서 방사광을 편향시킬 수 없기 때문에 도파광은 TM모우드이어야 한다.

제7도는 본 발명의 제2실시예에 의한 가변 초점 장치의 단면 구성도이다. 제7도의 참조번호는 제2도의 참조번호와 같다. 凹凸의 동심원상 그레이팅(1G)이 기판(1)위에 형성되어 있고, 그 위에 전도성 박막(2)과 투명층(3) 및 이 투명층(3)보다 굴절율이 큰 도파층(4)이 형성되어 있다. 투명 기판(7)의 표면에는 ITO(indium tin oxide)등으로 만들어진 투명 전도성 박막(6)이 형성되어 액정(5)을 통해 도파층(4)가 밀착되어 있다. 전도성 박막(2), 투명층(3) 및 도파층(4)을 합쳐도 그 막두께는 얇으므로 凹凸의 그레이팅(1G)에 상응한 그레이팅(4G)이 도파층(4)표면에 형성되고, 이 그레이팅(4G)이 도포층(4)을 통해 전파하는 도파광(8)을 방사시키고 아울러 액정(5)중의 액정 분자를 배향시키는 역할을 한다. 이 실시예는 도파광이 배향 방향에 수직인 방향으로 전파하는 경우에 해당하므로, 도파광의 모우드 분리, 분극이 방사광의 편광 영향 등의 문제가 발생하다. 그러나, 도파광을 방사시키기 위한 수단인 그레이팅(4G)은 액정층을 배향시키는 수단으로서도 겸용 할 수 있으므로, 폴리이미드 등의 배향 수단을 필요로 하지 않아 가변 초점 장치의 구성이 간단해 진다. 더욱이, 제2실시예에서 凹凸의 그레이팅의 위치는 전도성 박막(2), 투명층(3)의 표면 등의 위치에 위치해 있어도 좋다.

제9도는 본 발명의 실시예에 있어서 동심원상의 그레이팅(3G)에 수직한 방향으로 도파광(8)을 전파하기 위한 구조의 예를 나타낸다. 그 동작에 있어서, 반도체 레이저(19)에서 방출된 출사광(出射光)은 집광렌즈(20)에 의하여 평행광으로 된 다음, 이 평행광은 1/4파장판(quarter-wave plate) (21)을 통과하면서 평행 광선은 원형의 편광(22)으로 된다. 기판(1)위에는 전도성 박막(2) 및 투명층(3)을 사이에 두고 투명층(3)보다 굴절율이 큰 도파층(4)이 형성되어 있다. 도파층(4)표면에는 포토레지스트(photo-resist)등을 이용하여 凹凸의 동심원상의 그레이팅(23)이 형성되어 있고, 원형의 편광(22)은 이 동심원상의 그레이팅(23) 커플러(coupler)에 의해 도파층(4)내에 입력 결합되어 방사 방향으로 전파하는 도파광(8)으로 된다.

제10도는 본 발명의 제3실시예에서의 가변 초점 장치의 설명도이다. 이 실시예에 있어서도 그레이팅(3G)이 점(0)을 중심으로한 동심원형을 취한다. 그 동작시에 있어서 도파광(8)을 그레이팅(3G)에 수직인 방향으로 전파시켜 도파층에서 방출된 방사광을 도파층외의 집광점(F)에 집광시키고 있다. 전도성 박막(2) 또는 투명 전도성 박막(6)은 방사 방향(반경방향)을 따른 직선, 예컨대 24A, 24B, 24C, 24D등의 다수의 영역으로 분할되어 있고, 각각의 영역에 전압 신호를 독립하여 가할 수 있다. 각각의 영역에 가해지는 전압 신호의 크기를 그레이팅(3G)표면을 바닥면으로 한 중공(中空) 원통을 사용하여 나타낸다면, 중공원통을 평면으로 절단한 절단부분(25)의 원주상의 각 점의 그레이팅(3G)표면에 대한 높이[예를 들자면, 점(26A) 및 점(26B)을 바닥면(3G)에 대해 수직으로 떨어진 다리(feet)로 하고, 점(25A)과 점(26A)사이의 거리와 점(25B)과 점(26B)사이의 거리]를 상기 원주상의 각 점에 대응하는 각 분할 영역에 가한 진폭 변조 신호의 진폭(V)으로 한다. 점(25A)과 점(25B)을 잇는 직선은 절단부분 평면(25)의 중심을 통과하여 절단부분 평면(25)과 바닥면(3G)과의 교차선과 직교한다. 따라서, 절단부분 평면(25)이 각 영역에 인가된 전압 신호의 크기에 따라 바닥면(3G)과 평행하지 않다면, 집광점은 점(25A), (25B) 및 점(26A), (26B)을 포함하는 평면내에서 점(F)에서 (F')까지 이동된다. 즉, 절단부분 평면(25)의 높이는 집광점 광축(OF)방향에서의 변위를 의미하는 반면, 절단부분 평면(25)의 기울기의 정도는 집광점의 광축(OF)과 직교하는 방향에서의 변위를 나타낸다는 것을 의미한다. 따라서, 제3실시예에서는 집광점을 광축(OF)을 따라서만 변위시킬 수 밖에 없으나, 제4실시예에서는 24A, 24B, 24C 및 24D등의 다수의 영역에 전압신호를 독립적으로 가함으로써 임의 위치에 변위가 가능하게 된다. 그리고, 전도성 박막(2) 또는 투명 전도성 박막(6)을 방사 방향(반경 방향)으로 나눌 필요가 없지만, 기타 방법으로도 나눌 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 가변 초점 장치에 의하여 전도성 박막과 투명 전도성 박막 사이에 가해지는 전압 신호를 따라 도파층 표면 근처의 배향된 액정의 배향 방향을 바꾸고, 도파광에 대한 액정의 굴절율이 변동되어 도파광의 등가 굴절율이 바꾸며, 도파층으로 부터의 방사광의 회절각을 바꾸므로 주기 구조를 동심원상으로 하여 도파광을 주기 구조와 직교하여 전파시키고 도파층으로 부터의 방사광을 도파층밖의 집광점에 집광시키면 방사광의 집광 위치의 변위로서 기능을 하고 그 변화폭은 크다. 또한, 배향 유지력이 강한 도파층 표면 근처의 액정 분자의 배향 방향의 변화를 이용하므로 초점 변위의 응답성은 빠르다. 더욱이, 모든 도파광은 액정쪽과 기판쪽을 향해 모두가 방사되고, 기판면쪽에 대한 방사광은 기판 표면위의 전도성 박막에서 반사되어 액정쪽의 방사광에 중첩되므로 액정쪽의 방사 광량이 크게 증가하므로 광의 에너지 이용률을 높일 수 있다. 한편, 주기 구조를 동심원상으로 하여 도파광을 주기 구조와 수직한 방향으로 전파시켜 도파층으로 부터의 방사광을 도파층외의 집광점에 집광시키면 전도성 박막과 투명 전도성 박막 사이에 가해지는 전압 신호에 의하여 발생되는 방사광의 편향을 집광점의 변위로서 작용시킬 수가 있다. 특히, 전도성 박막 또는 투명 전도성 박막을 다수의 영역으로 분할하여 전압 신호를 독립적으로 가함으로써 집광점을 임의의 위치로 변위시킬 수가 있다. 따라서, 본 발명에서는 광편향 장치 또는 새로운 가변 초점장치로서 실용적으로 극히 효과적인 새로운 장치를 제공하는 것이다.

Claims

기판위에 전도성 박막을 형성하고, 상기 전도성 박막위에 직접 또는 투명층을 사이에 두고 도파광을 전파는 도파층을 형성하며, 투명 전도성 박막과 도파층사이에 액정층을 삽입하고, 도파층 표면에 투명 전도성 박막이 형성된 투명 기판을 밀착시키며, 상기 도파층에는 도파광의 전파 방향을 따라 동심원 또는 나선상의 주기 구조가 형성되어 상기 주기 구조에 의하여 도파광이 방사되어 방사광으로 되고, 이 방사광을 도파층밖의 하나 또는 몇개의 집광점에 집광시켜 상기 전도성 박막과 투명 전도성 박막 사이에 전압 신호를 가함으로써 상기 집광점의 위치를 변화시킴을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제1항에 있어서, 상기 주기 구조는 상기 기판, 상기 전도성 박막, 상기 투명층 또는 상기 도파층의 한쪽 표면의 凹凸홈에 의하여 형성됨을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제1항에 있어서, 상기 도파층은 굴절율은 정상광에 대한 상기 액정층의 굴절율 보다 큰 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제1항에 있어서, 정상광에 대한 상기 액정층의 굴절율은 상기 투명층의 굴절율 보다 큰 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제1항에 있어서, 상기 전압 신호는 진폭 변조파인 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제1항에 있어서, 액정층의 분자를 배향하는 배향 수단을 상기 도파층 또는 상기 투명 전도성 박막의 표면에 구성하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제1항에 있어서, 상기 주기 구조를 상기 도파층 표면의 凹凸홈으로 하고, 이 凹凸홈을 상기 액정층의 분자를 배향하는 배향 수단으로 사용함을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 액정층의 배향 수단에 의한 액정층의 분자 배향 방향은 상기 도파광의 전파 방향에 대해 평행 방향 또는 수직 방향인 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제8항에 있어서, 상기 배향 수단에 의한 상기 액정층의 분자 배향 방향이 상기 도파광의 전파 방향과 평행한 경우에는 상기 도파광은 TM모우드인 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제10항에 있어서, 상기 전도성 박막 또는 상기 투명 전도성 박막을 다수의 영역으로 분할하고, 각각의 전압 신호를 상기 각각의 분할 영역에 독립하여 인가함으로써 상기 집광점의 위치를 바꾸는 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.
제11항에 있어서, 상기 분할 영역은 도파광의 전파 방향을 따르는 분할선으로 상기 전도성 박막 또는 상기 투명 전도성 박막을 분할함으로써 형성된 부채 형상인 것을 특징으로 하는 가변 초점 장치.