WO2017213101A1 - 光学素子及び光学装置 - Google Patents

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optical element
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田中　博
豊田　晴義
寧 大林
寛人 酒井
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    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G02F1/0316—Electrodes

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical element and an optical device.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose electro-optical elements.
  • the electro-optical device includes a substrate, a ferroelectric of KTN (KTa 1-x Nb x O 3) layer stacked on the substrate, a transparent electrode disposed on the front surface of KTN layer, disposed on the rear surface of the KTN layer Containing metal electrodes.
  • KTN has four crystal structures depending on temperature, and is used as an electro-optical element when it has a perovskite crystal structure.
  • An isotropic crystal belonging to a cubic point group m3m such as KTN is a ferroelectric crystal, but does not have a Pockels effect, a piezoelectric effect, or a reverse voltage effect. That is, even if an electric field is applied to such a crystal, the refractive index or crystal length of the crystal does not change in proportion to the electric field. Therefore, when such a crystal is applied to light modulation or light control, a Kerr effect is used in which the refractive index changes in proportion to the square of the applied electric field. For example, it is possible to control the retardation (phase difference) of light by applying an electric field so as to be orthogonal to the propagation direction of light. However, it is difficult to control the retardation of light by applying an electric field along the light propagation direction.
  • An object of the embodiment is to provide an optical element capable of controlling the retardation of linearly polarized light components orthogonal to each other in input light by using an isotropic crystal belonging to a cubic point group m3m.
  • optical element is an optical element that controls retardation of linearly polarized light components orthogonal to each other in input light, and has an input surface to which input light is input and a back surface that is a surface opposite to the input surface.
  • electro-optic crystal that is an isotropic crystal belonging to the cubic point group m3m, a first electrode disposed on the input surface, and a second electrode disposed on the back surface, the input surface comprising:
  • the first electrode and the second electrode are arranged along at least one of the axes obtained by rotating one of the three crystal axes of the electro-optic crystal about the crystal axis as a rotation center and the other two crystal axes by a predetermined angle.
  • the direction of the electric field induced by the voltage applied between the two is along the propagation direction of the input light in the electro-optic crystal.
  • the other two axes are rotated at an arbitrary angle around an arbitrary crystal axis. Since the input surface is along at least one of the other two axes, the input light is input in parallel or perpendicular to the other two axes. Thereby, the retardation of the linearly polarized light components orthogonal to each other of the input light can be controlled using the Kerr effect.
  • the predetermined angle may be an angle between 40 degrees and 50 degrees, and in particular, the predetermined angle may be 45 degrees.
  • the rotation angle of the crystal axis is in the vicinity of 45 degrees, which is 40 degrees to 50 degrees, the control can be performed efficiently.
  • the electro-optic crystal is a KTa 1-x Nb x O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1) crystal or a K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ Y ⁇ 1) Crystal may be sufficient. According to this configuration, an electro-optic crystal having a high relative dielectric constant can be easily realized.
  • the optical element is a wavelength plate, a light modulator, a spatial light modulator, a display element, or a compensation plate, further comprising a drive circuit that applies an electric field between the first electrode and the second electrode.
  • a drive circuit that applies an electric field between the first electrode and the second electrode.
  • the plurality of optical elements are arranged on an optical path of input light, and an electric field is generated between the first electrode and the second electrode for each of the plurality of optical elements.
  • an optical filter having the same function as a LYOT filter can be easily configured.
  • an optical element capable of controlling the retardation of linearly polarized light components orthogonal to each other of input light by using an isotropic crystal belonging to a cubic point group m3m.
  • FIG. 1A is a perspective view schematically showing a wave plate.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing the wave plate.
  • the wave plate 100 includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 103, a second electrode 105, and a drive circuit 107.
  • the electro-optic crystal 101 has a plate shape having an input surface 101a to which the input light L1 is input and a back surface 101b that is a surface opposite to the input surface 101a.
  • the electro-optic crystal 101 has an perovskite crystal structure and is an isotropic crystal belonging to a cubic point group m3m.
  • the dielectric constant of the electro-optic crystal 101 is, for example, 100 or more, and can take a value of about 1000 to 20000 as an example.
  • Examples of the electro-optic crystal 101 include a KTa 1-x Nb x O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1) crystal (hereinafter referred to as “KTN crystal”), a K 1-y Li y Ta 1-x Nb x, and the like.
  • a KTN crystal is used as the electro-optic crystal 101. Since the KTN crystal belongs to the cubic point group m3m, there is no Pockels effect and the input light is modulated by the Kerr effect. Therefore, retardation modulation can be performed by rotating the other two axes around an arbitrary crystal axis to an arbitrary angle other than 0 degrees and 90 degrees, that is, an angle larger than 0 degrees and smaller than 90 degrees. Note that phase modulation can be performed by inputting light parallel or perpendicular to the crystal axis of the electro-optic crystal 101 and applying an electric field in the same direction.
  • FIG. 2A is a perspective view showing the relationship between the crystal axis of the electro-optic crystal, the traveling direction of the light, and the direction of the electric field when the input light is retardation-modulated by the electro-optic crystal.
  • (B) is the figure which showed each axis
  • the axes X1, X2, and X3, which are crystal axes of the uniaxial crystal, are given by the refractive index ellipsoid of the formula (1).
  • n o is the ordinary index
  • n e is the extraordinary ray refraction index
  • the X3 axis is called the C axis
  • the crystal axis is defined.
  • the refractive index ellipsoid is given by equation (2), where nk is the refractive index of the crystal.
  • the crystal axis is freely determined.
  • the directions of the three normals of the six surfaces constituting the rectangular parallelepiped are represented by axes X1, X2, and X3. It is common to define that.
  • the input surface of the electro-optic crystal When the input light is retardation-modulated by the electro-optic crystal, the input surface of the electro-optic crystal has one crystal axis of the three crystal axes of the electro-optic crystal as a rotation center and the other two crystal axes by a predetermined angle. It is along at least one of the rotated new axes. That is, the input surface coincides with a plane including one crystal axis that is the center of rotation and one of the new axes.
  • the angle which rotates a crystal axis is an angle from 40 degree
  • the example shown in FIG. 2 is a case where the crystal (crystal axis) is rotated at an angle of 45 degrees.
  • new axes X1 ', X2', and X3 ' are obtained by rotating the axes X2 and X3 by 45 degrees about the crystal axis X1.
  • the axis X1 ' is the same as the axis X1.
  • an electric field is applied to the electro-optic crystal 1104 so that the application direction 1102 is parallel to the axis X3 'and perpendicular to the axis X2'.
  • the propagation direction 1101 of the input light L1 is parallel to the application direction 1102 of the electric field.
  • Kerr coefficients used for modulation of the input light L1 are g11, g12, and g44.
  • the terms “rotation center”, “horizontal”, and “vertical” do not indicate only a strict positional relationship but may include manufacturing errors and the like.
  • the electro-optic crystal 1104 used for retardation modulation is obtained by cutting out the electro-optic crystal 1103 grown on the axes X1, X2, and X3 along the axes X1, X2 ′, and X3 ′. Can do. That is, in the wave plate 100, the electro-optic crystal 101 has the same structure as the electro-optic crystal 1104. As shown in FIG. 1, the input surface 101a and the back surface 101b of the electro-optic crystal 101 are along the axis X2 '. More specifically, the input surface 101a and the back surface 101b are planes including both the axis X1 and the axis X2 '.
  • the relative permittivity of the KTN crystal is easily affected by temperature.
  • the relative permittivity is the largest at around ⁇ 5 ° C., about 20000, and the relative permittivity decreases to about 5000 at around 20 ° C., which is normal temperature. Therefore, the temperature of the electro-optic crystal 101 can be controlled to around ⁇ 5 ° C. by a temperature control element such as a Peltier element.
  • the first electrode 103 includes a transparent electrode 103 a disposed on the input surface 101 a of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 103a is made of, for example, ITO (indium tin oxide), and transmits the input light L1. That is, the input light L1 passes through the transparent electrode 103a and is input into the electro-optic crystal 101. The input light L1 is propagated along the axis X3 '.
  • the transparent electrode 103a is formed on the entire input surface 101a.
  • the transparent electrode 103 a can be formed by depositing ITO on the input surface 101 a of the electro-optic crystal 101.
  • the second electrode 105 includes a transparent electrode 105 a disposed on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101. Similar to the transparent electrode 103a, the transparent electrode 105a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be output from the transparent electrode 105a as modulated light (output light) L2. In the present embodiment, the transparent electrode 105a is formed on the entire back surface 101b. For example, the transparent electrode 105 a can be formed by depositing ITO on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the drive circuit 107 is electrically connected to the transparent electrode 103a and the transparent electrode 105a, and applies an electric field between the transparent electrode 103a and the transparent electrode 105a.
  • the magnitude of the voltage applied by the drive circuit 107 can be controlled according to, for example, the wavelength of the input light.
  • the KTN crystal When the applied electric field is zero, the KTN crystal is an isotropic crystal having one refractive index nk .
  • the KTN crystal When an electric field E is applied to the KTN crystal, the KTN crystal exhibits birefringence due to the Kerr effect. That is, the input light is divided into two linearly polarized light components in which the vibration directions of the optical electric field vectors are orthogonal to each other, and propagates in the crystal.
  • Linearly polarized light that oscillates in the X1-axis direction is influenced by the sum n k + [Delta] n 1 the refractive index [Delta] n 1 induced by an applied electric field E given by the refractive index n k of the formula (3).
  • g12 is the Kerr coefficient (unit: m 4 / C 2 ) of the KTN crystal
  • ⁇ 0 is the vacuum dielectric constant
  • ⁇ r is the relative dielectric constant of the KTN crystal.
  • X2 'linearly polarized oscillating in the axial direction is affected by the sum n k + [Delta] n 2 between the refractive index [Delta] n 2 induced by an applied electric field E given by n k and Equation (4).
  • g11 and g44 are Kerr coefficients (unit: m 4 / C 2 ) of the KTN crystal.
  • the phase difference (retardation) ⁇ k between two orthogonally polarized light components of the input light L1 is given by the following equation (5).
  • L k is the thickness of the KTN crystal in the X3 ′ axis direction
  • V is a voltage applied to the crystal.
  • FIG. 3 shows the relationship between the applied voltages V ⁇ / 4 and V ⁇ / 2 and the wavelength ⁇ obtained by substituting the specifications of the KTN crystal into the equations (6) and (7).
  • the relative dielectric constant ⁇ r is set to 10,000
  • the thickness L k of the KTN crystal is set to 100 ⁇ m.
  • the wave plate 100 can be used as a quarter wave plate and a half wave plate in a wide wavelength region by changing the applied voltage.
  • it is one wave plate, it can be used as a quarter wave plate and a half wave plate by applying a predetermined voltage.
  • V X when the voltage V X is applied, as a quarter-wave plate at the wavelength .lambda.1, it can be utilized as a half-wave plate at the wavelength .lambda.2.
  • the other two axes are centered on an arbitrary crystal axis.
  • the input surface 101a is along at least one of the other two axes
  • the input light L1 is input in parallel or perpendicular to the other two axes.
  • the direction of the electric field induced by the voltage applied between the first electrode 103 and the second electrode 105 is along the propagation direction of the input light L 1 in the electro-optic crystal 101. Accordingly, retardation modulation utilizing the Kerr effect is possible, and the modulated light L2 subjected to retardation modulation can be output.
  • the rotation angle of the crystal axis in the electro-optic crystal 101 may be an angle between 40 degrees and 50 degrees, and in particular, the predetermined angle may be 45 degrees.
  • the rotation angle of the crystal axis is in the vicinity of 45 degrees, which is 40 degrees to 50 degrees, the modulation can be performed efficiently.
  • the phase difference ⁇ S of the light passing through the wave plate is given by equation (8).
  • lambda is the wavelength of light
  • the [Delta] n s difference ordinary index and the extraordinary index of refraction of the wave plate is d s is the thickness of the wave plate in the optical axis direction.
  • m is a non-negative integer.
  • m 62 from the above two equations.
  • the thickness d s of the wave plate is 3.9392 mm, which indicates that it is necessary to process the wave plate with a high accuracy of ⁇ / 6.33 (on the order of 100 nm).
  • d 0 be a thickness with no error in the conventional wave plate.
  • d s is represented by the formula (10).
  • the thickness of the KTN crystal without error is L 0 and the phase difference at that time is ⁇ k0 . Further, when the thickness of the wave plate including the thickness error [Delta] d k and [Delta] L k, [Delta] L k is represented by the formula (12).
  • the allowable processing error is ⁇ / 6.33
  • the allowable processing error for the KTN crystal in this embodiment is about 40 ⁇ , and the allowable processing error is greatly increased.
  • the performance of the wave plate can be dramatically improved.
  • the parallelism of the input / output end faces of light and the absolute value of the plate thickness must be ensured simultaneously.
  • FIG. 4A is a perspective view schematically showing a wave plate.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view schematically showing the wave plate.
  • the wave plate 200 includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 203, a second electrode 105, and a drive circuit 207. Since the configurations of the electro-optic crystal 101 and the second electrode 105 are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the first electrode 203 includes a plurality of transparent electrodes 203 a arranged on the input surface 101 a of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 203a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 passes through the transparent electrode 203a and is input into the electro-optic crystal 101.
  • the plurality of transparent electrodes 203a are formed in a two-dimensional array with respect to the input surface 101a.
  • the interval between the transparent electrodes 203a adjacent to each other is set to a distance shorter than the assumed wavelength of the input light L1.
  • the transparent electrode 203a can be formed by depositing ITO on the input surface 101a of the electro-optic crystal 101.
  • the drive circuit 207 is electrically connected to the first electrode 203 and the second electrode 105, and applies an electric field between the first electrode 203 and the second electrode 105.
  • an electric field is applied between each of the plurality of transparent electrodes 203a and the transparent electrode 105a.
  • the magnitude of the electric field applied by the drive circuit 207 can be controlled for each of the plurality of transparent electrodes 203a, for example.
  • the second electrode 105 disposed on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101 may include a plurality of transparent electrodes, and the first electrode 203 may be formed on the entire input surface 101a.
  • FIG. 5A is a perspective view schematically showing a wave plate.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view schematically showing the wave plate.
  • the wave plate 300 includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 103, a second electrode 305, and a drive circuit 107. Since the configurations of the electro-optic crystal 101, the first electrode 103, and the drive circuit 107 are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the second electrode 305 includes a reflective electrode 305 a disposed on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the reflective electrode 305a can reflect the input light L1 propagating through the electro-optic crystal 101 toward the input surface 101a. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be reflected by the reflective electrode 305a on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101 and output from the first electrode 103 as the modulated light L2.
  • the reflective electrode 305a is formed of a material such as a metal such as aluminum. In the present embodiment, the reflective electrode 305a is formed on the entire back surface 101b.
  • FIG. 6A is a perspective view schematically showing a wave plate.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing the wave plate.
  • the wave plate 400 includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 103, a second electrode 405, and a drive circuit 107. Since the configurations of the electro-optic crystal 101, the first electrode 103, and the drive circuit 107 are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the second electrode 405 includes a transparent electrode 405a and a reflective portion 405b disposed on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 405a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be output from the transparent electrode 405a as the modulated light L2.
  • the transparent electrode 405a is formed on the entire back surface 101b.
  • the transparent electrode 405a can be formed by depositing ITO on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101.
  • the reflection unit 405b can reflect the modulated light L2 output from the transparent electrode 405a toward the input surface 101a. That is, the modulated light L2 is reflected by the reflecting portion 405b, propagates through the transparent electrode 405a and the electro-optic crystal 101, and can be output from the first electrode 103.
  • the reflecting portion 405b may be a dielectric multilayer film that can efficiently reflect light. The dielectric multilayer film reflects the modulated light L2 transmitted through the transparent electrode 405a toward the first electrode 103 formed on the input surface 101a.
  • the dielectric multilayer film can be formed by evaporating a material such as a high refractive index substance (Ta 2 O 5 ) and a low refractive index substance (SiO 2 ) on the surface of the transparent electrode 405a.
  • the reflecting portion 405b is formed on the entire surface of the transparent electrode 405a.
  • the transparent electrode 405a is provided between the electro-optic crystal 101 and the reflective portion 405b.
  • the reflective portion 405b may be provided between the electro-optic crystal 101 and the transparent electrode 405a.
  • a spatial light modulator which is a kind of optical modulator, will be described as an example of an optical element.
  • FIG. 1 a spatial light modulator
  • FIG. 7A is a perspective view schematically showing a spatial light modulator.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view schematically showing the spatial light modulator.
  • the spatial light modulator 500 includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 503, a second electrode 505, and a drive circuit 507. Since the configuration of the electro-optic crystal 101 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the first electrode 503 includes a plurality of transparent electrodes 503 a disposed on the input surface 101 a of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 503a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 passes through the transparent electrode 503a and is input into the electro-optic crystal 101.
  • the input light L1 is propagated along the axis X3 '.
  • the plurality of transparent electrodes 503a are formed in a two-dimensional array with respect to the input surface 101a.
  • the interval between the transparent electrodes 503a adjacent to each other is set to a distance shorter than the assumed wavelength of the input light L1.
  • the transparent electrode 503 a can be formed by depositing ITO on the input surface 101 a of the electro-optic crystal 101.
  • the second electrode 505 includes a transparent electrode 505 a disposed on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 505a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be output from the transparent electrode 505a as the modulated light L2.
  • the transparent electrode 505a is formed on the entire back surface 101b.
  • the transparent electrode 505 a can be formed by depositing ITO on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the drive circuit 507 is electrically connected to the first electrode 503 and the second electrode 505, and applies an electric field between the first electrode 503 and the second electrode 505.
  • an electric field is applied between each of the plurality of transparent electrodes 503a and the transparent electrode 505a.
  • the magnitude of the voltage applied by the drive circuit 507 can be controlled for each of the plurality of transparent electrodes 503a, for example.
  • a spatial light modulator having a plurality of pixel structures is shown as an optical modulator, but an optical modulator having a single pixel structure may be used. [Sixth Embodiment] In this embodiment, another spatial light modulator will be described as an example of an optical element.
  • FIG. 8A is a perspective view schematically showing a spatial light modulator.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view schematically showing the spatial light modulator.
  • the spatial light modulator 600 includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 503, a second electrode 605, and a drive circuit 507. Since the configurations of the electro-optic crystal 101, the first electrode 503, and the drive circuit 507 are the same as those in the fifth embodiment, the description thereof is omitted.
  • the second electrode 605 includes a reflective electrode 605 a disposed on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the reflective electrode 605a can reflect the input light L1 propagating through the electro-optic crystal 101 toward the input surface 101a. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be reflected by the reflective electrode 605a on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101 and output from the first electrode 503 as the modulated light L2.
  • the reflective electrode 605a is formed of a material such as a metal such as aluminum.
  • the reflective electrode 605a is formed on the entire back surface 101b.
  • a spatial light modulator having a plurality of pixel structures is shown as an optical modulator, but an optical modulator having a single pixel structure may be used.
  • FIG. 9A is a perspective view schematically showing a spatial light modulator.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view schematically showing the spatial light modulator.
  • the spatial light modulator 700 includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 503, a second electrode 705, and a drive circuit 507. Since the configurations of the electro-optic crystal 101, the first electrode 503, and the drive circuit 507 are the same as those in the fifth embodiment, the description thereof is omitted.
  • the second electrode 705 includes a transparent electrode 705a and a reflective portion 705b disposed on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 705a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be output from the transparent electrode 705a as the modulated light L2.
  • the transparent electrode 705a is formed on the entire back surface 101b.
  • the transparent electrode 705a can be formed by depositing ITO on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101.
  • the reflection unit 705b can reflect the modulated light L2 output from the transparent electrode 705a toward the input surface 101a. That is, the modulated light L2 is reflected by the reflecting portion 705b, propagates through the transparent electrode 705a and the electro-optic crystal 101, and can be output from the first electrode 503.
  • the reflecting portion 705b may be a dielectric multilayer film that can efficiently reflect light. The dielectric multilayer film reflects the modulated light L2 transmitted through the transparent electrode 705a toward the first electrode 503 formed on the input surface 101a.
  • the dielectric multilayer film can be formed by evaporating materials such as a high refractive index substance (Ta 2 O 5 ) and a low refractive index substance (SiO 2 ) on the surface of the transparent electrode 705a.
  • the reflection portion 705b is formed on the entire surface of the transparent electrode 705a.
  • a spatial light modulator having a plurality of pixel structures is shown as an optical modulator, but an optical modulator having a single pixel structure may be used.
  • FIG. 10A is a perspective view schematically showing a display element.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view schematically showing the display element.
  • the display element 800 is an element that modulates light from a light source in a display device such as a projector, and includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 803, a second electrode 805, and a drive circuit 807. Since the configuration of the electro-optic crystal 101 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the first electrode 803 includes a plurality of transparent electrodes 803 a arranged on the input surface 101 a of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 803a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 passes through the transparent electrode 803a and is input into the electro-optic crystal 101.
  • the input light L1 is propagated along the axis X3 '.
  • the plurality of transparent electrodes 803a are formed in a two-dimensional array with respect to the input surface 101a.
  • the interval between the transparent electrodes 803a adjacent to each other is set to a distance shorter than the assumed wavelength of input light.
  • the transparent electrode 803a can be formed by depositing ITO on the input surface 101a of the electro-optic crystal 101.
  • the second electrode 805 includes a transparent electrode 805 a disposed on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 805a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be output from the transparent electrode 805a as the modulated light L2.
  • the transparent electrode 805a is formed on the entire back surface 101b.
  • the transparent electrode 805a can be formed by depositing ITO on the back surface 101b of the electro-optic crystal 101.
  • the drive circuit 807 is electrically connected to the first electrode 803 and the second electrode 805, and applies an electric field between the first electrode 803 and the second electrode 805.
  • an electric field is applied between each of the plurality of transparent electrodes 803a and the transparent electrode 805a.
  • the magnitude of the electric field applied by the drive circuit 807 can be controlled for each of the plurality of transparent electrodes 803a, for example.
  • FIG. 11A is a perspective view schematically showing a compensation plate.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view schematically showing the compensation plate.
  • the compensation plate is a variable phase difference plate that can be used in the same manner as the compensation plate of Babinet-Soleil, and includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 903, a second electrode 905, and a drive circuit 907. Yes. Since the configuration of the electro-optic crystal 101 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the first electrode 903 includes a transparent electrode 903 a disposed on the input surface 101 a of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 903a is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 passes through the transparent electrode 903a and is input into the electro-optic crystal 101.
  • the input light L1 is propagated along the axis X3 '.
  • the transparent electrode 903a is formed on the entire input surface 101a.
  • the transparent electrode 903a can be formed by depositing ITO on the input surface 101a of the electro-optic crystal 101.
  • the second electrode 905 includes a transparent electrode 905 b disposed on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the transparent electrode 905b is made of, for example, ITO and transmits the input light L1. That is, the input light L1 input into the electro-optic crystal 101 and subjected to retardation modulation can be output from the transparent electrode 905a as the modulated light L2.
  • the transparent electrode 905a is formed on the entire back surface 101b.
  • the transparent electrode 905 a can be formed by depositing ITO on the back surface 101 b of the electro-optic crystal 101.
  • the drive circuit 907 is electrically connected to the transparent electrode 903a and the transparent electrode 905a, and applies an electric field between the transparent electrode 903a and the transparent electrode 905a. By controlling the magnitude of the electric field applied by the drive circuit 907, the retardation of the input light L1 can be controlled.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing the configuration of the optical filter.
  • the optical filter 1000 includes a plurality of optical elements 1001, a plurality of polarizers 1003, and a drive circuit 1007.
  • the optical element 1001 has substantially the same configuration as the wave plate 100 of the first embodiment, for example, and includes an electro-optic crystal 101, a first electrode 103, and a second electrode 105.
  • the plurality of optical elements 1001 are arranged on the optical path of the input light L1.
  • a plurality of polarizers 1003 are respectively arranged on the first electrode 103 side and the second electrode 105 side of the plurality of optical elements 1001. That is, the plurality of optical elements 1001 and the plurality of polarizers 1003 are alternately arranged with each other. In other words, a plurality of pairs of the polarizer 1003 and the optical element 1001 are arranged.
  • a polarizer 1003 is disposed at the input end and output end of light.
  • a drive circuit 1007 is electrically connected to each optical element 1001 via an amplifier 1006.
  • the drive circuit 1007 applies an electric field between the first electrode 103 and the second electrode 105 to each of the plurality of optical elements 1001.
  • V 0 is the amplitude of the voltage applied to the first stage optical element 1001.
  • the present invention is not limited to this.
  • the axis X2 or the axis X3 may be the rotation center.
  • a plane parallel to the axis X3 ' may be used as the input plane.
  • the plane along the axis X2 'and the plane along the axis X3' may be used as the input plane.
  • the first electrode is disposed on one surface along the axis X2 ′
  • the second electrode is disposed on the other surface along the axis X2 ′
  • the other first electrode is disposed on one surface along the axis X3 ′
  • Another second electrode may be disposed on the other surface along the axis X3 ′.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Wave plate, 101 (1104) ... Electro-optic crystal, 101a ... Input surface, 101b ... Back surface, 103 ... 1st electrode, L1 ... Input light, L2 ... Modulated light, X1, X2, X3 ... Axis (crystal axis) , X1 ', X2', X3 '... axis.

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Abstract

光学素子は、入力光が入力される入力面、及び、入力面の反対側の面である裏面を有し、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶である電気光学結晶と、入力面に配置される第１電極と、裏面に配置される第２電極と、を備え、入力面は、電気光学結晶の３つの結晶軸のうち１つの結晶軸を回転中心として他の２つの結晶軸を所定の角度だけ回転させた軸のうち少なくとも一方の軸に沿い、第１電極と第２電極との間に印加される電圧によって誘起される電界の方向が入力光の伝播方向に沿う。

Description

光学素子及び光学装置
　本開示は、光学素子及び光学装置に関する。
　例えば特許文献１及び特許文献２には、電気光学素子が開示されている。この電気光学素子は、基板と、基板に積層される強誘電体のＫＴＮ（ＫＴａ１-ｘＮｂｘＯ３）層と、ＫＴＮ層の前面に配置される透明電極と、ＫＴＮ層の後面に配置される金属電極を含んでいる。ＫＴＮは、温度によって４つの結晶構造をとり、ペロブスカイト型の結晶構造であるときに電気光学素子として利用される。
特開２０１４－８９３４０号公報 特開２０１４－８９３４１号公報
　ＫＴＮのような立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶は、強誘電性結晶でありながら、ポッケルス効果、圧電効果及び逆電圧効果を有していない。すなわち、このような結晶に電界を加えたとしても、結晶の屈折率或いは結晶長においては、電界に比例した変化が生じない。そこで、このような結晶を光変調や光制御に応用する場合、印加電界の２乗に比例して屈折率が変化するカー効果が用いられている。例えば、光の伝播方向に直交するように電界を印加することで、光のリタデーション（位相差）を制御することは可能である。しかし、光の伝播方向に沿って電界を印加して、光のリタデーションを制御することは困難とされている。
　実施形態は、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶を用いて、入力光における互いに直交する直線偏光成分のリタデーションを制御可能な光学素子を提供することを目的とする。
　一形態の光学素子は、入力光における互いに直交する直線偏光成分のリタデーションを制御する光学素子であって、入力光が入力される入力面、及び、入力面の反対側の面である裏面を有し、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶である電気光学結晶と、入力面に配置される第１電極と、裏面に配置される第２電極と、を備え、入力面は、電気光学結晶の３つの結晶軸のうち１つの結晶軸を回転中心として他の２つの結晶軸を所定の角度だけ回転させた軸のうち少なくとも一方の軸に沿い、第１電極と第２電極との間に印加される電圧によって誘起される電界の方向が電気光学結晶内における入力光の伝播方向に沿う。
　この光学素子において、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶である電気光学結晶では、任意の結晶軸を中心にして他の２軸が任意の角度に回転されている。入力面が他の２軸のうち少なくとも一方の軸に沿っていることにより、入力光は、他の２軸に対して平行又は垂直に入力することになる。これにより、カー効果を利用して、入力光の互いに直交する直線偏光成分のリタデーションを制御することができる。
　また、一形態において、所定の角度は４０度から５０度までの間の角度であってよく、特に、所定の角度は４５度であってよい。結晶軸の回転角度が４５度の近傍である４０度から５０度であることによって、効率よく制御を行うことができる。
　また、一形態において、電気光学結晶は、ＫＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶又はＫ１-ｙＬｉｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶であってもよい。この構成によれば、比誘電率の高い電気光学結晶を容易に実現できる。
　また、一形態において、光学素子は、第１電極と第２電極との間に電界を印加する駆動回路を更に備える波長板、光変調器、空間光変調器、表示素子又は補償板であってよい。このような光学素子は、従来のような高い加工精度を必要とすることなく製造することができる。また、印加される電界を変えることによって、広い波長領域に対応することができる。
　また、一形態の光学装置は、上記の複数の光学素子が入力光の光路上に配列されており、複数の光学素子のそれぞれに対して、第１電極と第２電極との間に電界を印加する駆動回路と、複数の光学素子の入力面側及び裏面側にそれぞれ配置される複数の偏光子と、備えてもよい。この光学装置によれば、例えばＬＹＯＴフィルタと同様な機能を有した光学フィルタを簡易に構成することができる。
　実施形態によれば、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶を用いて、入力光の互いに直交する直線偏光成分のリタデーションを制御可能な光学素子を提供することができる。
一の実施形態に係る波長板を示す模式図である。 リタデーション変調をする場合における、電気光学結晶の結晶軸と光の進行方向及び電界の向きとの関係を示す図である。 一の実施形態に係る波長板における印加電圧と波長との関係を示すグラフである。 他の実施形態に係る波長板を示す模式図である。 さらに他の実施形態に係る波長板を示す模式図である。 さらに他の実施形態に係る波長板を示す模式図である。 一の実施形態に係る空間光変調器を示す模式図である。 他の実施形態に係る空間光変調器を示す模式図である。 さらに他の実施形態に係る空間光変調器を示す模式図である。 一の実施形態に係る表示素子を示す模式図である。 一の実施形態に係る補償板を示す模式図である。 一の実施形態に係る光学フィルタを示す模式図である。
　以下、実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。以下の各実施形態では、入力した光（入力光）における互いに直交する直線偏光成分のリタデーションを制御する電気光学結晶を用いた光学素子及び光学装置について説明する。
　［第１実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例として波長板について説明する。図１の（ａ）は、波長板を模式的に示す斜視図である。図１の（ｂ）は、波長板を模式的に示す断面図である。波長板１００は、電気光学結晶１０１と、第１電極１０３と、第２電極１０５と、駆動回路１０７とを備えている。
　電気光学結晶１０１は、入力光Ｌ１が入力される入力面１０１ａと、入力面１０１ａの反対側の面である裏面１０１ｂとを有する板状をなしている。電気光学結晶１０１は、ペロブスカイト型の結晶構造を備えており、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶である。電気光学結晶１０１の比誘電率は、例えば１００以上であり、一例として１０００～２００００程度の値をとり得る。このような電気光学結晶１０１としては、例えば、ＫＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶（以下、「ＫＴＮ結晶」という）、Ｋ１-ｙＬｉｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶、ＰＬＺＴ結晶などであり、具体的には、ＢａＴｉＯ３、或いはＫ３Ｐｂ３（Ｚｎ２Ｎｂ７）Ｏ２７、Ｋ（Ｔａ０．６５Ｎｂ０．３５）Ｐ３、Ｐｂ３ＭｇＮｂ２Ｏ９、Ｐｂ３ＮｉＮｂ２Ｏ９などが挙げられる。
　本実施形態の波長板１００では、電気光学結晶１０１としてＫＴＮ結晶が用いられる。ＫＴＮ結晶は、立方晶系の点群ｍ３ｍに属するため、ポッケルス効果はなく、カー効果によって入力光の変調を行う。そのため、任意の結晶軸を中心に他の２軸を０度、９０度以外の任意の角度、すなわち、０度より大きく９０度より小さい角度に回転させれば、リタデーション変調を行うことができる。なお、電気光学結晶１０１の結晶軸に平行もしくは垂直に光を入力し、同方向に電界を印加すると位相変調を行うことができる。
　図２の（ａ）は、電気光学結晶によって入力光をリタデーション変調させる場合における、電気光学結晶の結晶軸と、光の進行方向及び電界の向きとの関係を示す斜視図であり、図２の（ｂ）は各軸を平面的に示した図である。１軸性結晶の結晶軸である軸Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は、式（１）の屈折率楕円体で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｎｏは常光線屈折率、ｎｅは異常光線屈折率である。１軸性結晶では、Ｘ３軸がＣ軸と呼ばれ、結晶軸が定義される。一方、等方性結晶である立方晶系の点群ｍ３ｍに属する結晶の場合、結晶の屈折率をｎｋとすると、屈折率楕円体は式（２）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　すなわち、結晶軸は自由に定められる。ただし、このような結晶では、図２の（ａ）に示すように、直方体の形状を保ったまま成長するため、直方体を構成する６つの表面の３法線の方向を軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３と定めるのが一般的である。
　電気光学結晶によって入力光をリタデーション変調させる場合、電気光学結晶の入力面は、電気光学結晶の３つの結晶軸のうち１つの結晶軸を回転中心として、他の２つの結晶軸を所定の角度だけ回転させた新規軸のうち、少なくとも一方の軸に沿っている。すなわち、入力面は、回転中心である１つの結晶軸と、新規軸のうちの一方の軸とを含む平面に一致する。結晶軸を回転させる角度は、一例として４０度から５０度までの角度である。
　図２に示す例は、４５度の角度で結晶（結晶軸）を回転させた場合である。本実施形態では、結晶軸である軸Ｘ１を中心にして、軸Ｘ２，Ｘ３を４５度回転させた軸を新たな軸Ｘ１’，Ｘ２’，Ｘ３’とする。この場合、軸Ｘ１’は軸Ｘ１と同じである。光をこの新規軸すなわち軸Ｘ２’，Ｘ３’に平行又は垂直に入力することによって、リタデーション変調を行うことができる。図２では、印加方向１１０２が軸Ｘ３’に平行であり、且つ、軸Ｘ２’に垂直となるように、電気光学結晶１１０４に対して電界が印加される。入力光Ｌ１の伝播方向１１０１は、電界の印加方向１１０２と平行となる。この場合、入力光Ｌ１の変調に用いられるカー係数は、ｇ１１、ｇ１２及びｇ４４である。なお、上記の説明において、「回転中心」、「水平」及び「垂直」なる用語は、厳密な位置関係のみを示すものではなく、製造上の誤差等を含み得る。
　本実施形態では、例えば、軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３を基準として結晶成長した電気光学結晶１１０３を軸Ｘ１，Ｘ２’，Ｘ３’に沿って切り出すことによって、リタデーション変調に用いる電気光学結晶１１０４を得ることができる。すなわち、波長板１００において、電気光学結晶１０１は電気光学結晶１１０４と同様の構造を有する。図１に示すように、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａ及び裏面１０１ｂは、軸Ｘ２’に沿っている。より具体的には、入力面１０１ａ及び裏面１０１ｂは、軸Ｘ１及び軸Ｘ２’の両方を含む平面である。
　ＫＴＮ結晶の比誘電率は、温度の影響を受けやすく、例えば、－５℃付近において比誘電率が２００００程度と最も大きく、常温である２０℃近辺において比誘電率が５０００程度まで下がる。そこで、電気光学結晶１０１は、例えばペルチェ素子のような温度制御素子によって－５℃付近に温度制御され得る。
　第１電極１０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに配置される透明電極１０３ａを含む。透明電極１０３ａは、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）によって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、入力光Ｌ１は、透明電極１０３ａを透過して電気光学結晶１０１内に入力される。入力光Ｌ１は、軸Ｘ３’に沿って伝播される。本実施形態では、透明電極１０３ａは、入力面１０１ａの全面に形成されている。例えば、透明電極１０３ａは、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　第２電極１０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される透明電極１０５ａを含む。透明電極１０５ａは、透明電極１０３ａと同様に、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、変調光（出力光）Ｌ２として透明電極１０５ａから出力され得る。本実施形態では、透明電極１０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。例えば、透明電極１０５ａは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　駆動回路１０７は、透明電極１０３ａ及び透明電極１０５ａに対して電気的に接続されており、透明電極１０３ａと透明電極１０５ａとの間に電界を印加する。駆動回路１０７によって印加される電圧の大きさは、例えば入力光の波長等に応じて制御され得る。
　印加電界がゼロのときは、ＫＴＮ結晶は１つの屈折率ｎｋをもつ等方性結晶である。ＫＴＮ結晶に電界Ｅが印加されると、カー効果によって、ＫＴＮ結晶は複屈折性を示す。すなわち、入力光は、光電界ベクトルの振動方向が互いに直交する２つの直線偏光成分に分かれて、結晶内を伝播する。Ｘ１軸方向に振動する直線偏光は、屈折率ｎｋと式（３）で与えられる印加電界Ｅで誘起される屈折率Δｎ１との和ｎｋ＋Δｎ１の影響を受ける。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、ｇ１２はＫＴＮ結晶のカー係数（単位：ｍ４／Ｃ２）、ε０は真空の誘電率、εｒはＫＴＮ結晶の比誘電率である。一方、Ｘ２’軸方向に振動する直線偏光は、ｎｋと式（４）で与えられる印加電界Ｅで誘起される屈折率Δｎ２との和ｎｋ＋Δｎ２の影響を受ける。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、ｇ１１及びｇ４４は、ＫＴＮ結晶のカー係数（単位：ｍ４／Ｃ２）である。この場合、入力光Ｌ１の直交する２つの直線偏光成分の間の位相差（リタデーション）θｋは、次の式（５）で与えられる。ここで、ＬｋはＫＴＮ結晶のＸ３’軸方向の厚さ、Ｖは結晶に印加される電圧である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）から、１／４波長板及び１／２波長板に必要な印加電圧を、それぞれＶλ／４及びＶλ／２とすると、これらの印加電圧は式（６）及び式（７）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ＫＴＮ結晶の諸元を式（６）及び式（７）に代入して求めた印加電圧Ｖλ／４及びＶλ／２と波長λとの関係を図３に示す。なお、図３の例では、比誘電率εｒを１００００とし、ＫＴＮ結晶の厚さＬｋを１００μｍとした。図３に示すように、波長板１００は、印加電圧を変化させることによって、広い波長領域において１／４波長板及び１／２波長板として利用することができる。また、１つの波長板であるにも関わらず、所定の電圧を印加することによって、１／４波長板及び１／２波長板として利用できる。例えば、図３に破線で示すように、電圧ＶＸが印加されている場合、波長λ１では１／４波長板として、波長λ２では１／２波長板として利用することができる。
　以上説明したように、本実施形態における波長板１００において、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶である電気光学結晶１０１では、任意の結晶軸を中心にして他の２軸が任意の角度に回転されている。入力面１０１ａが他の２軸のうち少なくとも一方の軸に沿っていることにより、入力光Ｌ１は、他の２軸に対して平行又は垂直に入力することになる。さらに、第１電極１０３と第２電極１０５との間に印加される電圧によって誘起される電界の方向が電気光学結晶１０１内における入力光Ｌ１の伝播方向に沿う。これらにより、カー効果を利用したリタデーション変調が可能となり、リタデーション変調された変調光Ｌ２を出力することができる。
　また、電気光学結晶１０１における結晶軸の回転角度は、４０度から５０度までの間の角度であってよく、特に、所定の角度は４５度であってよい。結晶軸の回転角度が４５度の近傍である４０度から５０度であることによって、効率よく変調を行うことができる。
　従来、波長板を通過する光の位相差θＳは式（８）で与えられる。ここで、λは光の波長、Δｎｓは波長板の常光線屈折率と異常光線屈折率の差、ｄｓは光軸方向の波長板の厚さである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　このような従来の波長板では、例えば、極めて高い精度で結晶を加工しなければならない、１個の波長板では１つの波長しか使えない、受動的素子であり機能性が乏しい、などの課題があった。これらの課題について、特に、加工精度に関し、例えば、１／４波長板では、以下の式（９）が成立するように加工する必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここでｍは、負でない整数である。例えば、Δｎｓ＝０．０１、λ＝６３２．８ｎｍの波長板の厚さｄｓを約４ｍｍとする場合、上の２式からｍ＝６２となる。この場合、波長板の厚さｄｓは、３．９３９２ｍｍとなり、λ／６．３３（１００ｎｍオーダー）という高い精度で波長板を加工する必要があることが分かる。
　ここで、従来の波長板における誤差のない厚さをｄ０とする。さらに、厚み誤差Δｄｓを含む波長板の厚さをｄｓとすると、ｄｓは式（１０）によって示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　この場合、従来の波長板における厚み誤差Δｄｓと、厚み誤差Δｄｓによる位相差誤差θｓとの関係式は、式（１１）によって示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　一方、本実施形態の波長板１００において、ＫＴＮ結晶の誤差のない厚さをＬ０とし、そのときの位相差をθｋ０とする。さらに、厚み誤差Δｄｋを含む波長板の厚さをΔＬｋとすると、ΔＬｋは式（１２）によって示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　ここで、厚み誤差Δｄｋによる位相差の誤差をΔθｋとして、θｋ０がπ／２になる印加電圧をＶπ／２とすると、式（５）及び式（１２）から、以下の式（１３）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　式（１１）及び式（１３）を参照し、従来の波長板と本実施形態の波長板との位相差誤差が等しいと仮定すると、以下の式（１４）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　許容される加工誤差をλ／６．３３とすると、本実施形態におけるＫＴＮ結晶に許容される加工誤差は約４０λとなり、許容される加工誤差が大幅に大きくなっている。
　このように、本実施形態においては、波長板の性能が飛躍的に向上し得る。従来の波長板は、光の入出力端面の平行性と板厚の絶対値とを同時に確保しなければならない。これに対して、本実施形態の波長板では、入出力端面の平行性を確保するだけでよい。
　［第２実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例として他の波長板について説明する。図４の（ａ）は、波長板を模式的に示す斜視図である。図４の（ｂ）は、波長板を模式的に示す断面図である。波長板２００は、電気光学結晶１０１と、第１電極２０３と、第２電極１０５と、駆動回路２０７とを備えている。電気光学結晶１０１及び第２電極１０５の構成については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第１電極２０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに配置される複数の透明電極２０３ａを含む。透明電極２０３ａは、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、入力光Ｌ１は、透明電極２０３ａを透過して電気光学結晶１０１内に入力される。本実施形態では、複数の透明電極２０３ａは、入力面１０１ａに対して二次元アレイ状に形成されている。互いに隣り合う透明電極２０３ａ同士の間隔は、想定される入力光Ｌ１の波長よりも短い距離に設定されている。例えば、透明電極２０３ａは、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　駆動回路２０７は、第１電極２０３及び第２電極１０５に対して電気的に接続されており、第１電極２０３と第２電極１０５との間に電界を印加する。本実施形態では、複数の透明電極２０３ａのそれぞれと透明電極１０５ａとの間に電界が印加される。駆動回路２０７によって印加される電界の大きさは、例えば複数の透明電極２０３ａ毎に制御され得る。なお、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される第２電極１０５が複数の透明電極を含み、第１電極２０３が入力面１０１ａの全面に形成されてもよい。
　［第３実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例としてさらに他の波長板について説明する。図５の（ａ）は、波長板を模式的に示す斜視図である。図５の（ｂ）は、波長板を模式的に示す断面図である。波長板３００は、電気光学結晶１０１と、第１電極１０３と、第２電極３０５と、駆動回路１０７とを備えている。電気光学結晶１０１、第１電極１０３及び駆動回路１０７の構成については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第２電極３０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される反射電極３０５ａを含む。反射電極３０５ａは、電気光学結晶１０１内を伝播する入力光Ｌ１を入力面１０１ａに向けて反射し得る。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにおいて反射電極３０５ａによって反射され、変調光Ｌ２として第１電極１０３から出力され得る。例えば、反射電極３０５ａは、アルミニウムなどの金属等の材料によって形成されている。本実施形態では、反射電極３０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。
　［第４実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例としてさらに他の波長板について説明する。図６の（ａ）は、波長板を模式的に示す斜視図である。図６の（ｂ）は、波長板を模式的に示す断面図である。波長板４００は、電気光学結晶１０１と、第１電極１０３と、第２電極４０５と、駆動回路１０７とを備えている。電気光学結晶１０１、第１電極１０３及び駆動回路１０７の構成については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第２電極４０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される透明電極４０５ａ及び反射部４０５ｂを含む。透明電極４０５ａは、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、変調光Ｌ２として透明電極４０５ａから出力され得る。本実施形態では、透明電極４０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。例えば、透明電極４０５ａは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　反射部４０５ｂは、透明電極４０５ａから出力された変調光Ｌ２を入力面１０１ａに向けて反射し得る。すなわち、変調光Ｌ２は、反射部４０５ｂによって反射され、透明電極４０５ａ及び電気光学結晶１０１を伝播し、第１電極１０３から出力され得る。例えば、反射部４０５ｂは、光を効率的に反射させることができる誘電体多層膜であってよい。誘電体多層膜は、透明電極４０５ａを透過した変調光Ｌ２を入力面１０１ａに形成された第１電極１０３に向けて反射する。誘電体多層膜は、例えば高屈折率物質(Ｔａ２Ｏ５)及び低屈折率物質(ＳｉＯ２)等の材料を透明電極４０５ａの表面に蒸着することによって形成され得る。本実施形態では、反射部４０５ｂは、透明電極４０５ａの表面の全面に形成されている。なお、本実施形態では、電気光学結晶１０１と反射部４０５ｂとの間に透明電極４０５ａを設けているが、電気光学結晶１０１と透明電極４０５ａとの間に反射部４０５ｂを設けてもよい。
　［第５実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例として、光変調器の一種である空間光変調器について説明する。図７の（ａ）は、空間光変調器を模式的に示す斜視図である。図７の（ｂ）は、空間光変調器を模式的に示す断面図である。空間光変調器５００は、電気光学結晶１０１と、第１電極５０３と、第２電極５０５と、駆動回路５０７とを備えている。電気光学結晶１０１の構成については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第１電極５０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに配置される複数の透明電極５０３ａを含む。透明電極５０３ａは、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、入力光Ｌ１は、透明電極５０３ａを透過して電気光学結晶１０１内に入力される。入力光Ｌ１は、軸Ｘ３’に沿って伝播される。本実施形態では、複数の透明電極５０３ａは、入力面１０１ａに対して二次元アレイ状に形成されている。互いに隣り合う透明電極５０３ａ同士の間隔は、想定される入力光Ｌ１の波長よりも短い距離に設定されている。例えば、透明電極５０３ａは、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　第２電極５０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される透明電極５０５ａを含む。透明電極５０５ａは、透明電極５０３ａと同様に、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、変調光Ｌ２として透明電極５０５ａから出力され得る。本実施形態では、透明電極５０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。例えば、透明電極５０５ａは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　駆動回路５０７は、第１電極５０３及び第２電極５０５に対して電気的に接続されており、第１電極５０３と第２電極５０５との間に電界を印加する。本実施形態では、複数の透明電極５０３ａのそれぞれと透明電極５０５ａとの間に電界が印加される。駆動回路５０７によって印加される電圧の大きさは、例えば複数の透明電極５０３ａ毎に制御され得る。なお、本実施形態では、光変調器として、複数の画素構造を持つ空間光変調器を示したが、シングル画素構造をもつ光変調器であってもよい。
　［第６実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例として他の空間光変調器について説明する。図８の（ａ）は、空間光変調器を模式的に示す斜視図である。図８の（ｂ）は、空間光変調器を模式的に示す断面図である。空間光変調器６００は、電気光学結晶１０１と、第１電極５０３と、第２電極６０５と、駆動回路５０７とを備えている。電気光学結晶１０１、第１電極５０３及び駆動回路５０７の構成については、第５実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第２電極６０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される反射電極６０５ａを含む。反射電極６０５ａは、電気光学結晶１０１内を伝播する入力光Ｌ１を入力面１０１ａに向けて反射し得る。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにおいて反射電極６０５ａによって反射され、変調光Ｌ２として第１電極５０３から出力され得る。例えば、反射電極６０５ａは、アルミニウムなどの金属等の材料によって形成されている。本実施形態では、反射電極６０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。なお、本実施形態では、光変調器として、複数の画素構造を持つ空間光変調器を示したが、シングル画素構造をもつ光変調器であってもよい。
　［第７実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例としてさらに他の空間光変調器について説明する。図９の（ａ）は、空間光変調器を模式的に示す斜視図である。図９の（ｂ）は、空間光変調器を模式的に示す断面図である。空間光変調器７００は、電気光学結晶１０１と、第１電極５０３と、第２電極７０５と、駆動回路５０７とを備えている。電気光学結晶１０１、第１電極５０３及び駆動回路５０７の構成については、第５実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第２電極７０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される透明電極７０５ａ及び反射部７０５ｂを含む。透明電極７０５ａは、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、変調光Ｌ２として透明電極７０５ａから出力され得る。本実施形態では、透明電極７０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。例えば、透明電極７０５ａは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　反射部７０５ｂは、透明電極７０５ａから出力された変調光Ｌ２を入力面１０１ａに向けて反射し得る。すなわち、変調光Ｌ２は、反射部７０５ｂによって反射され、透明電極７０５ａ及び電気光学結晶１０１を伝播し、第１電極５０３から出力され得る。例えば、反射部７０５ｂは、光を効率的に反射させることができる誘電体多層膜であってよい。誘電体多層膜は、透明電極７０５ａを透過した変調光Ｌ２を入力面１０１ａに形成された第１電極５０３に向けて反射する。誘電体多層膜は、例えば高屈折率物質(Ｔａ２Ｏ５)及び低屈折率物質(ＳｉＯ２)等の材料を透明電極７０５ａの表面に蒸着することによって形成され得る。本実施形態では、反射部７０５ｂは、透明電極７０５ａの表面の全面に形成されている。なお、本実施形態では、光変調器として、複数の画素構造を持つ空間光変調器を示したが、シングル画素構造をもつ光変調器であってもよい。
　［第８実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例として表示素子について説明する。図１０の（ａ）は、表示素子を模式的に示す斜視図である。図１０の（ｂ）は、表示素子を模式的に示す断面図である。表示素子８００は、プロジェクタなどの表示装置において光源からの光を変調させる素子であり、電気光学結晶１０１と、第１電極８０３と、第２電極８０５と、駆動回路８０７とを備えている。電気光学結晶１０１の構成については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第１電極８０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに配置される複数の透明電極８０３ａを含む。透明電極８０３ａは、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、入力光Ｌ１は、透明電極８０３ａを透過して電気光学結晶１０１内に入力される。入力光Ｌ１は、軸Ｘ３’に沿って伝播される。本実施形態では、複数の透明電極８０３ａは、入力面１０１ａに対して二次元アレイ状に形成されている。互いに隣り合う透明電極８０３ａ同士の間隔は、想定される入力光の波長よりも短い距離に設定されている。例えば、透明電極８０３ａは、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　第２電極８０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される透明電極８０５ａを含む。透明電極８０５ａは、透明電極８０３ａと同様に、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、変調光Ｌ２として透明電極８０５ａから出力され得る。本実施形態では、透明電極８０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。例えば、透明電極８０５ａは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　駆動回路８０７は、第１電極８０３及び第２電極８０５に対して電気的に接続されており、第１電極８０３と第２電極８０５との間に電界を印加する。本実施形態では、複数の透明電極８０３ａのそれぞれと透明電極８０５ａとの間に電界が印加される。駆動回路８０７によって印加される電界の大きさは、例えば複数の透明電極８０３ａ毎に制御され得る。
　［第９実施形態］
　本実施形態では、光学素子の一例として補償板について説明する。図１１の（ａ）は、補償板を模式的に示す斜視図である。図１１の（ｂ）は、補償板を模式的に示す断面図である。補償板は、バビネ－ソレイユの補償板と同様に利用することができる可変位相差板であり、電気光学結晶１０１と、第１電極９０３と、第２電極９０５と、駆動回路９０７とを備えている。電気光学結晶１０１の構成については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
　第１電極９０３は、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａに配置される透明電極９０３ａを含む。透明電極９０３ａは、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、入力光Ｌ１は、透明電極９０３ａを透過して電気光学結晶１０１内に入力される。入力光Ｌ１は、軸Ｘ３’に沿って伝播される。本実施形態では、透明電極９０３ａは、入力面１０１ａの全面に形成されている。例えば、透明電極９０３ａは、電気光学結晶１０１の入力面１０１ａにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　第２電極９０５は、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂに配置される透明電極９０５ｂを含む。透明電極９０５ｂは、透明電極９０３ａと同様に、例えばＩＴＯによって形成されており、入力光Ｌ１を透過する。すなわち、電気光学結晶１０１内に入力されてリタデーション変調された入力光Ｌ１は、変調光Ｌ２として透明電極９０５ａから出力され得る。本実施形態では、透明電極９０５ａは、裏面１０１ｂの全面に形成されている。例えば、透明電極９０５ａは、電気光学結晶１０１の裏面１０１ｂにＩＴＯを蒸着することによって形成され得る。
　駆動回路９０７は、透明電極９０３ａ及び透明電極９０５ａに対して電気的に接続されており、透明電極９０３ａと透明電極９０５ａとの間に電界を印加する。駆動回路９０７によって印加される電界の大きさを制御することで、入力光Ｌ１のリタデーションを制御することができる。
　本実施形態の補償板では、バビネ－ソレイユの補償板のような機械的な可動部分がないので、高精度かつ高速な計測が可能となっている。
　［第１０実施形態］
　本実施形態では、光学装置の一例として光学素子を備えた光学フィルタについて説明する。図１２は、光学フィルタの構成を模式的に示す図である。光学フィルタ１０００は、複数の光学素子１００１と、複数の偏光子１００３と、駆動回路１００７とを含む。光学素子１００１は、例えば第１実施形態の波長板１００と略同じ構成であり、電気光学結晶１０１と、第１電極１０３と、第２電極１０５とを含んでいる。
　複数の光学素子１００１は、入力光Ｌ１の光路上に配列されている。複数の光学素子１００１の第１電極１０３側及び第２電極１０５側には、それぞれ複数の偏光子１００３が配置されている。すなわち、複数の光学素子１００１と複数の偏光子１００３とは、互いに交互に配列されている。換言すると、偏光子１００３と光学素子１００１との組が複数段配列されている。なお、光の入力端及び出力端には、偏光子１００３が配置されている。
　それぞれの光学素子１００１には、アンプ１００６を介して駆動回路１００７が電気的に接続されている。駆動回路１００７は、複数の光学素子１００１のそれぞれに対して、第１電極１０３と第２電極１０５との間に電界を印加する。入力端側からの段数をｍとしたき、ｍ段目に配置された光学素子１００１に印加される電圧の振幅Ｖは、以下の式（１５）で示される。なお、Ｖ０は１段目の光学素子１００１に印加される電圧の振幅である。このように印加電圧を制御することによって、本実施形態の光学フィルタは、従来のＬＹＯＴフィルタと同様の機能を果たすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　以上、実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。
　例えば、電気光学結晶の結晶軸のうち軸Ｘ１を回転中心として、回転させた軸Ｘ２’に平行となるように入力面を設定する例を示したがこれに限定されない。例えば、軸Ｘ２又は軸Ｘ３を回転中心としてもよい。また、軸Ｘ１を回転中心とした場合には、軸Ｘ３’に平行な面を入力面としてもよい。さらに、例えば、軸Ｘ１を回転中心とした場合、軸Ｘ２’に沿う面、及び、軸Ｘ３’に沿う面をそれぞれ入力面としてもよい。この場合、軸Ｘ２’に沿う一方面に第１電極を配置し、軸Ｘ２’に沿う他方面に第２電極を配置するとともに、軸Ｘ３’に沿う一方面に他の第１電極を配置し、軸Ｘ３’に沿う他方面に他の第２電極を配置してもよい。
　１００…波長板、１０１（１１０４）…電気光学結晶、１０１ａ…入力面、１０１ｂ…裏面、１０３…第１電極、Ｌ１…入力光、Ｌ２…変調光、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３…軸（結晶軸）、Ｘ１’，Ｘ２’，Ｘ３’…軸。

Claims (10)

  1. 　入力光における互いに直交する直線偏光成分のリタデーションを制御する光学素子であって、
    　前記入力光が入力される入力面、及び、前記入力面の反対側の面である裏面を有し、立方晶系の点群ｍ３ｍに属する等方性結晶である電気光学結晶と、
    　前記入力面に配置される第１電極と、
    　前記裏面に配置される第２電極と、を備え、
    　前記入力面は、前記電気光学結晶の３つの結晶軸のうち１つの結晶軸を回転中心として他の２つの結晶軸を所定の角度だけ回転させた軸のうち少なくとも一方の軸に沿い、
    　前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧によって誘起される電界の方向は、前記電気光学結晶内における前記入力光の伝播方向に沿う、光学素子。
  2. 　前記所定の角度は、４０度から５０度までの間の角度である、請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記所定の角度は、４５度である、請求項２に記載の光学素子。
  4. 　前記電気光学結晶は、ＫＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）結晶或いはＫ１-ｙＬｉｙＴａ１-ｘＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）結晶である、請求項１～３のいずれか一項に記載の光学素子。
  5. 　前記光学素子は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電界を印加する駆動回路を更に備える波長板である、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学素子。
  6. 　前記光学素子は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電界を印加する駆動回路を更に備える光変調器である、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学素子。
  7. 　前記光変調器は空間光変調器である、請求項６に記載の光学素子。
  8. 　前記光学素子は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電界を印加する駆動回路を更に備える表示素子である、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学素子。
  9. 　前記光学素子は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電界を印加する駆動回路を更に備える補償板である、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学素子。
  10. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の複数の前記光学素子を含み、前記複数の光学素子が前記入力光の光路上に配列された光学装置であって、
    　前記複数の光学素子のそれぞれに対して、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電界を印加する駆動回路と、
    　前記複数の光学素子の前記入力面側及び裏面側にそれぞれ配置される複数の偏光子と、備える光学装置。
     
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