(57)【要約】【課題】入射光の偏光状態に依存することなく、応答速度の速い液晶位相変調デバイスを提供する。【解決手段】液晶層と、前記液晶層を挟持する複数の透明基板と、複数の前記透明基板の前記液晶層側の面に形成された透明電極と、を有する液晶位相変調素子を備え、入射する波長λの光の位相変調を行う液晶位相変調デバイスにおいて、入射する前記波長λの光は、前記液晶層を３度以上透過して前記液晶位相変調素子を出射し、前記液晶層に電圧を印加して、前記波長λの光のうち少なくとも１方向の直線偏光の光の位相差を０〜２πの範囲で変えることができる液晶位相変調デバイスを提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶層と、
前記液晶層を挟持する複数の透明基板と、
複数の前記透明基板の前記液晶層側の面に形成された透明電極と、を有する液晶位相変調素子を備え、入射する波長λの光の位相変調を行う液晶位相変調デバイスにおいて、
入射する前記波長λの光は、前記液晶層を３度以上透過して前記液晶位相変調素子を出射し、前記液晶層に電圧を印加して、前記波長λの光のうち少なくとも１方向の直線偏光の光の位相差を０〜２πの範囲で変えることができる液晶位相変調デバイス。
【請求項２】
前記液晶位相変調素子は、前記液晶層が２層以上重ねられた構成であり、
前記波長λの光が入射する前記液晶位相変調素子とは反対側に光反射部を有し、
前記波長λの光は、前記光反射部で反射され、前記液晶層を往復して透過する請求項１に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項３】
前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧４の偶数）、
ｍ層の前記液晶層のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向に配向され、
残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる請求項２に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項４】
前記液晶位相変調素子と前記光反射部との間の前記波長λの光の光路中に、１／４波長板が設けられている請求項２または請求項３に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項５】
前記液晶位相変調素子から前記光反射部に向かう前記波長λの光の光路中または、前記光反射部から前記液晶位相変調素子に向かう前記波長λの光の光路中に、１／２波長板が設けられている請求項２または請求項３に記載の液晶層変調デバイス。
【請求項６】
前記反射部は、三角プリズムにより構成されており、
前記三角プリズムに入射する前記波長λの光は、前記三角プリズムの第１の面、第２の面の順に反射され、
ｍ層の前記液晶層（ｍ≧２の偶数）のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿っているとともに、前記第１の面で反射されて前記第２面に進行する方向を基準に略４５°となる第１の方向に配向され、
残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる請求項２に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項７】
前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧３の整数）、
ｍ層の前記液晶層はそれぞれ、前記光反射部に向かう前記波長λの光の光路中に配置された第１の液晶領域と、前記光反射部で反射された前記波長λの光の光路中に配置された第２の液晶領域と、を有し、
それぞれの前記液晶層の前記第１の液晶領域と前記第２の液晶領域とは、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向と、前記第１の方向と直交する第２の方向と、の組み合わせとなるように配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる請求項２に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項８】
前記液晶位相変調素子は、１つまたは複数の前記液晶層を有し、
前記液晶位相変調素子のうち、前記波長λの光が入射する側とは反対側に第１の光反射部を有するとともに、前記波長λの光が入射する側に第２の光反射部を有し、
前記波長λの光は、前記第１の光反射部および前記第２の反射部で少なくとも１度以上反射されて、前記液晶層を透過する請求項１に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項９】
前記液晶位相変調素子と前記第１の光反射部との間の前記波長λの光の光路中または、前記液晶位相変調素子と前記第２の光反射部との間の前記波長λの光の光路中に、１／４波長板が設けられている請求項８に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項１０】
前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧２の偶数）、
ｍ層の前記液晶層のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向に配向され、
残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる請求項８に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項１１】
前記液晶位相変調素子は、前記液晶層が３層以上重ねられた構成であり、
前記波長λの光は、前記液晶層を１度ずつ透過する請求項１に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項１２】
前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧６の偶数）、
ｍ層の前記液晶層のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向に配向され、
残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる請求項１１に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項１３】
前記液晶層の液晶の温度を調整する温度制御部が設けられている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の液晶位相変調デバイス。
【請求項１４】
前記波長λは、１４５０ｎｍ〜１６５０ｎｍである請求項１〜１３いずれか１項に記載の液晶位相変調デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶位相変調デバイスに関するものであり、特に、光通信において光の位相を変調する液晶位相変調デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信において光時分割多重（ＯＴＤＭ：Optical Time Division Multiplexing）方式により、低速の光クロック信号を逓倍するのに、光クロックマルチプレクサ（Optical Clock Multiplexer）が用いられる。また、近年、１６０Ｇビット／秒を超える光時分割多重に用いられる光クロック（搬送波）に対応するため、光変調装置を用いて光クロックの波高値と位相補正が必要となる。
【０００３】
１６０Ｇビット／秒という高速光パルスクロックは、光時分割多重方式及び波長分割多重と光時分割多重方式のハイブリッド伝送方式において、光ファイバの利用可能な広いバンド幅を最大限活用することができるものである。このためには、光信号において強度変調とともに位相変調を行うことが必要とされており、１つの素子により光信号の強度変調と位相変調を行うことが望ましい。
【０００４】
引用文献１では、光信号の強度変調と位相変調を１つの素子により行うことのできる液晶光変調素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２２８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されている液晶光変調素子において、液晶光変調素子に印加する電圧の大きさを変化させて、入射する光の波長に対して少なくとも２πの位相変調を発生させるためには、液晶層を一定の厚さ以上にする必要がある。つまり、液晶の厚さを厚くすれば、位相変調量を大きく設定することができる。しかし、液晶層に印加する電圧の変化に対して、液晶が一定の位相変調量に安定するまでの時間は、一般的に液晶層の厚さの２乗に比例するため、例えば、電圧がＶａからＶｂ（Ｖａ≠Ｖｂ）へ瞬時に変化しても、電圧Ｖｂに相当する位相変調量に安定するまでの応答速度が遅くなり、高速通信に対応することができないという問題点がある。また、８００ｎｍの波長帯の光が用いられる場合のみならず、１４６０〜１５３０ｎｍのＳバンドと１５３０〜１５６５ｎｍのＣバンドと１５６５〜１６２５ｎｍのＬバンドを用いるＷＤＭ通信のような長距離通信の場合では、１５５０ｎｍの波長帯域の光に対し、位相を２π変化させるためには、より液晶層を厚くする必要があるため、一層応答速度が遅くなってしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の液晶位相変調デバイスは、液晶層と、前記液晶層を挟持する複数の透明基板と、複数の前記透明基板の前記液晶層側の面に形成された透明電極と、を有する液晶位相変調素子を備え、入射する波長λの光の位相変調を行う液晶位相変調デバイスにおいて、入射する前記波長λの光は、前記液晶層を３度以上透過して前記液晶位相変調素子を出射し、前記液晶層に電圧を印加して、前記波長λの光のうち少なくとも１方向の直線偏光の光の位相差を０〜２πの範囲で変えることができる。
【０００８】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子は、前記液晶層が２層以上重ねられた構成であり、前記波長λの光が入射する前記液晶位相変調素子とは反対側に光反射部を有し、前記波長λの光は、前記光反射部で反射され、前記液晶層を往復して透過する。
【０００９】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧４の偶数）、ｍ層の前記液晶層のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向に配向され、残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる。
【００１０】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子と前記光反射部との間の前記波長λの光の光路中に、１／４波長板が設けられている。
【００１１】
また、本発明の液晶位相変調デバイスは、前記液晶位相変調素子から前記光反射部に向かう前記波長λの光の光路中またにおいて、前記光反射部から前記液晶位相変調素子に向かう前記波長λの光の光路中に、１／２波長板が設けられている。
【００１２】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記反射部は、三角プリズムにより構成されており、前記三角プリズムに入射する前記波長λの光は、前記三角プリズムの第１の面、第２の面の順に反射され、ｍ層の前記液晶層（ｍ≧２の偶数）のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿っているとともに、前記第１の面で反射されて前記第２面に進行する方向を基準に略４５°となる第１の方向に配向され、残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる。
【００１３】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧３の整数）、ｍ層の前記液晶層はそれぞれ、前記光反射部に向かう前記波長λの光の光路中に配置された第１の液晶領域と、前記光反射部で反射された前記波長λの光の光路中に配置された第２の液晶領域と、を有し、それぞれの前記液晶層の前記第１の液晶領域と前記第２の液晶領域とは、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向と、前記第１の方向と直交する第２の方向と、の組み合わせとなるように配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる。
【００１４】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子は、１つまたは複数の前記液晶層を有し、前記液晶位相変調素子のうち、前記波長λの光が入射する側とは反対側に第１の光反射部を有するとともに、前記波長λの光が入射する側に第２の光反射部を有し、前記波長λの光は、前記第１の光反射部および前記第２の反射部で少なくとも１度以上反射されて、前記液晶層を透過する。
【００１５】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子と前記第１の光反射部との間の前記波長λの光の光路中または、前記液晶位相変調素子と前記第２の光反射部との間の前記波長λの光の光路中に、１／４波長板が設けられている。
【００１６】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧２の偶数）、ｍ層の前記液晶層のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向に配向され、残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる。
【００１７】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子は、前記液晶層が３層以上重ねられた構成であり、前記波長λの光は、前記液晶層を１度ずつ透過する。
【００１８】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶位相変調素子は、前記液晶層がｍ層以上重ねられた構成であり（ｍ≧６の偶数）、ｍ層の前記液晶層のうちの半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記透明基板面に沿った第１の方向に配向され、残り半分は、電圧を印加しない状態または電圧を印加した状態において、液晶が前記第１の方向と直交し前記透明基板面に沿った第２の方向に配向され、前記波長λの光の偏光状態に関わらず位相差を０〜２πの範囲で変えることができる。
【００１９】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記液晶層の液晶の温度を調整する温度制御部が設けられている。
【００２０】
また、本発明の液晶位相変調デバイスにおいて、前記波長λは、１４５０ｎｍ〜１６５０ｎｍである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、通信用の長波長の波長帯の光に対しても２πの位相変調を高速に行うことが可能な液晶位相変調デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施の形態における液晶位相変調デバイスの構成図
【図２】第１の実施の形態における液晶位相変調デバイスの要部構成図
【図３】第１の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図
【図４】第２の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図
【図５】第２の実施の形態における１／４波長板の上面図
【図６】第３の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図
【図７】第３の実施の形態における１／２波長板の上面図
【図８】第４の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図
【図９】第５の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図
【図１０】第５の実施の形態における液晶層の配向方向の説明図
【図１１】第６の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図
【図１２】第６の実施の形態における液晶層の配向方向の説明図
【図１３】第７の実施の形態における液晶位相変調デバイスの構成図
【図１４】第７の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図（１）
【図１５】第７の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図（２）
【図１６】第７の実施の形態における液晶層の配向方向の説明図
【図１７】第８の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図（１）
【図１８】第８の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図（２）
【図１９】第８の実施の形態における液晶層の配向方向の説明図
【図２０】第９の実施の形態における液晶位相変調デバイスの構成図
【図２１】第９の実施の形態における液晶位相変調デバイスの要部構成図
【図２２】第９の実施の形態における液晶位相変調デバイスの説明図
【図２３】実施例における液晶位相変調素子の構成図
【図２４】実施例における液晶位相変調素子の印加電圧と位相変化の相関図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。
【００２４】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態における液晶位相変調デバイスの構成図である。本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、入射した光の位相を変調する液晶位相変調素子２と、液晶位相変調素子２に隣接して配置され、入射する波長の光を反射する光反射部３と、必要に応じ、液晶位相変調素子２の温度制御を行うための温度制御部５と、を有している。また、液晶位相変調素子２には、電圧を印加する電圧制御部４が接続される。
【００２５】
光反射部３は、反射ミラーまたは反射プリズム等により構成されており、入射する光を高い反射率で反射することが可能である。例えば、反射ミラーまたは反射プリズムは、反射面が、誘電体多層膜やアルミニウムや金などの金属膜などで形成される。温度制御部５は、液晶位相変調素子２における液晶の温度を制御するためのものであり、温度調節することのできる筐体、ペルチェ素子等の熱電変換素子等により構成される。また、温度制御部５は、液晶位相変調素子２と一体化されて形成されているものであってもよい。電圧制御部４は、液晶位相変調素子２に対してとくに、交流電圧を印加するためのものである。
【００２６】
温度制御部５は、温度を高めることで液晶の粘性を低くする効果を促し、特に印加する電圧の値が変化（例えば、ＶａからＶｂ）したとき、液晶が充填された液晶層を透過する光の位相変調量を安定した値に、より高速に応答させることができる。上記のように所望の応答速度は、液晶層の厚さと駆動時の液晶の温度によって決まるので、例えば、液晶層の厚さを薄くできない場合、応答速度を得るために温度を上げることで調整することができる。また、液晶は高温状態であると劣化しやすいので、８０℃以下に維持すればよく、５０℃以下が好ましく、４５℃以下であればより好ましい。
【００２７】
また、温度制御部５として、液晶位相変調素子２とは別個に離隔して設けることもできるが、例えば、液晶位相変調素子２の一部に抵抗体となるＩＴＯ膜からなる配線を形成し、ＩＴＯ膜からなる配線に電流を流すことにより発熱させて温度制御を行うものであってもよい。尚、温度制御部５は、液晶位相変調素子２の温度制御を行う必要がない場合には、特に設ける必要はない。本実施の形態のおける液晶位相変調デバイスでは、液晶位相変調素子２を介し、光反射部３の設けられている側と反対側より、入射光Ａ１を入射し、液晶位相変調素子２を通過した後、光反射部３において反射され、再び液晶位相変調素子２を通過した後、出射光Ｂ１として出射される。
【００２８】
図２は、本実施の形態における液晶位相変調デバイスの構造をより詳細に示す構造模式図である。図２（ａ）は、液晶位相変調デバイスにおける断面模式図である。図２（ａ）では、本実施の形態における液晶位相変調素子２に＋Ｚ方向に入射する入射光Ａ１を図示するが、光反射部３を反射ミラー等により構成し、反射ミラー平面にて鏡面反射させる場合には、＋Ｚ方向より僅かに傾いた方向より入射させてもよい。このように、光反射部を設けることによって、入射する光が液晶位相変調素子２を往復し、往路と復路とで位相変調が可能となる。液晶位相変調素子２は、特定の（直線）偏光方向の光に対してのみ位相変調させたり、入射する光の偏光状態に関係せずに位相変調させたりすることもできるが、以下は、後者の偏光状態に依存しない位相変調について説明する。
【００２９】
本実施の形態における液晶位相変調素子２は、４つの液晶層、即ち、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４が積層されている。これら４つの液晶層は、透明導電膜及び配向膜の形成された５枚の透明基板の間に各々液晶を封入することにより形成される。
【００３０】
具体的には、第１の透明基板１５ａの一方の面に透明電極１１ａと不図示の配向膜とが形成され、第２の透明基板１５ｂの一方の面に透明電極１１ｂと不図示の配向膜とが形成され、透明電極１１ａと透明電極１１ｂとが対向するように第１の透明基板１５ａと第２の透明基板１５ｂとを配置し、第１の透明基板１５ａと第２の透明基板１５ｂとの間に液晶を封入することにより、第１の液晶層１１が形成される。第１の透明基板１５ａの他方の面には、入射光及び出射光の透明基板１５ａと空気との界面におけるフレネル反射を抑制する目的で反射防止膜を形成してもよい。
【００３１】
更に、第２の透明基板１５ｂの他方の面には、透明電極１２ａと不図示の配向膜とが形成されており、第３の透明基板１５ｃの一方の面に透明電極１２ｂと不図示の配向膜とが形成され、透明電極１２ａと透明電極１２ｂとが対向するように第２の透明基板１５ｂと第３の透明基板１５ｃとを配置し、第２の透明基板１５ｂと第３の透明基板１５ｃとの間に液晶を封入することにより、第２の液晶層１２が形成される。
【００３２】
更に、第３の透明基板１５ｃの他方の面には、透明電極１３ａと不図示の配向膜とが形成されており、第４の透明基板１５ｄの一方の面に透明電極１３ｂと不図示の配向膜とが形成され、透明電極１３ａと透明電極１３ｂとが対向するように第３の透明基板１５ｃと第４の透明基板１５ｄとを配置し、第３の透明基板１５ｃと第４の透明基板１５ｄとの間に液晶を封入することにより、第３の液晶層１３が形成される。
【００３３】
更に、第４の透明基板１５ｄの他方の面には、透明電極１４ａと不図示の配向膜とが形成されており、第５の透明基板１５ｅの一方の面に透明電極１４ｂと不図示の配向膜とが形成され、透明電極１４ａと透明電極１４ｂとが対向するように第４の透明基板１５ｄと第５の透明基板１５ｅとを配置し、第４の透明基板１５ｄと第５の透明基板１５ｅとの間に液晶を封入することにより、第４の液晶層１４が形成される。第５の透明基板１５ｅの他方の面には、入射光及び出射光の透明基板１５ｅと空気との界面でのフレネル反射を抑制する目的で反射防止膜を形成してもよい。または、反射防止膜を形成せずに反射ミラーや反射プリズムを配置してよい。
【００３４】
尚、各々の透明電極と不図示の配向膜との間には、透明な誘電体材料により形成される絶縁膜を形成してもよい。絶縁膜として用いられる材料としては、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）等が挙げられる。
【００３５】
また、各々の透明基板は、入射光に対し透明な材料により形成されており、樹脂基板、樹脂フィルム、ガラス等を用いることができる。特に、光学的等方性材料であるガラスまたは石英ガラスを用いた場合では、各々の透明基板内を透過する光に対し複屈折の影響を与えず、耐久性に優れているため好ましい。
【００３６】
また、各々の透明電極は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＡＺＯ（Aluminum Zinc Oxide）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）等の酸化物からなる透明導電膜により形成されている。これら酸化物からなる透明導電膜は、高い透明性と高い導電性を有するため好ましい。また、配向膜は、ポリイミド等の樹脂膜をラビング処理したものや、酸化シリコン等の無機物材料を斜方蒸着により成膜したものや、有機物を基板に塗布した後に紫外線などを照射することにより配向能を発現させる光配向膜などが用いられる。
【００３７】
電圧制御部４は、交流電源により構成されており、４つの液晶層に対して交流電圧を印加することができる。液晶層には直流電圧を印加することもできるが、液晶の劣化を防ぐためには交流電圧を印加することが好ましい。電圧制御部４は、図２（ａ）においては、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４において、各々均一な電圧が印加される構成を示しているが、これら４つの液晶層各々に独立に電圧が印加することができる構成であってもよい。
【００３８】
各々の液晶層は、ネマチック相液晶を用いるものが好ましく、電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸方向が透明基板面と略平行となる水平配向（ホモジニアス配向）と、液晶分子の長軸方向が透明基板面と略垂直となる垂直配向（ホメオトロピック配向）とがある。水平配向には、正の誘電異方性（Δε＞０）を有する液晶材料を用い、垂直配向には、負の誘電異方性（Δε＜０）を用いることが好ましい。尚、本実施の形態における液晶位相変調素子においては、液晶層は、水平配向または垂直配向のどちらでもよい。
【００３９】
尚、垂直配向の場合、電圧を印加して一定の電圧値以上であると液晶の長軸方向が透明基板面に沿った一方向に配向する。したがって、電圧が印加されていない状態における、水平配向および垂直配向は、いずれも液晶層に印加する電圧値によって液晶分子の長軸方向の向きが変化するが、電圧値の大きさと液晶分子の長軸方向の向きと、の関係が逆になるだけであって、いずれも入射する光の位相を変調させる機能を有する。以下の実施の形態の説明においては、液晶層が水平配向の場合について説明する。また、一対となる水平方向の配向膜の配向方向は互いに平行方向となるように構成されている。
【００４０】
また、本実施の形態においては、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４となる４つの液晶層により構成される場合について説明するが、入射光に対し反射光が、印加電圧の制御により０〜２πまで位相制御することが可能であれば、液晶層の層数を増減してもよい。特に、印加電圧の変化に対する位相変調量の変化の指標となる応答速度を高速にする場合では、各々の液晶層の一層あたりの厚さを薄くして、液晶層の数を増やした構成とするか、一層あたりの液晶層を往復透過する回数を増やすような構成とすることが好ましく、応答速度は４０ｍｓｅｃ以下であればよく、２０ｍｓｅｃ以下であれば好ましく、１０ｍｓｅｃ以下であればより好ましい。また、入射する光が特定の方向の直線偏光の光であれば、その偏光方向の光のみ位相変調をすればよいので、液晶位相変調素子は、２つの液晶層のみを重ねられた構成であって、特定の直線偏光の方向の光に対して位相変調が可能な液晶層を往復で４回透過させるものであってもよい。以下は、偏光状態に依存しない位相変調ができる液晶位相変調素子について説明する。
【００４１】
まず、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４における配向方向について具体的に説明する。図２（ｂ）に、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２の配向方向、図２（ｃ）に、第３の液晶層１３、第４の液晶層１４の配向方向を示す。第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２は、水平配向方向１１ｒ（１２ｒ）がともにＸ軸方向であって、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４は、水平配向方向１３ｒ（１４ｒ）がともにＹ軸方向である。
【００４２】
尚、本実施の形態においては、第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２における水平配向方向をＸ軸方向とし、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４における水平配向方向をＹ軸方向とした場合について説明するが、これら４つの液晶層のうち、いずれか２つの液晶層における水平配向方向をＸ軸方向とし、残りの２つの液晶層における水平配向方向をＹ軸方向としてもよい。
【００４３】
次に、図３に基づき、液晶位相変調デバイスに光を入射した場合について説明する。尚、図３においては、電圧制御部４、温度制御部５及び各々の透明電極の記載は省略されている。具体的には、液晶位相変調素子２に入射光Ａ１が入射し、液晶位相変調素子２内を透過した後、光反射部３において反射され、再度、液晶位相変調素子２内を透過して出射光Ｂ１として出射する場合について説明する。尚、本実施形態および、以下の第２の実施の形態、第３の実施の形態、第５から第９の実施の形態において、Ｘ軸方向の（直線）偏光の光をＳ偏光の光とし、Ｙ軸方向の（直線）偏光の光をＰ偏光の光として説明する。また、本実施の形態では、Ｓ偏光の光を第１の偏光方向の光、Ｐ偏光の光を第２の偏光方向の光という場合もある。
【００４４】
図３（ａ）に示すように、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２の液晶分子はＸ軸方向に水平配向し、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の液晶分子はＹ軸方向に水平配向している。尚、図３（ａ）中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における配向方向を示す。通常、液晶は常光屈折率ｎｏと、異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ＜ｎｅ）となる屈折率異方性を有している。したがって、第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２は液晶分子の長軸方向が、Ｘ軸方向となるように水平配向されているため、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４は液晶分子の長軸方向がＹ軸方向となるように水平配向しているため、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【００４５】
従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、ともに、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４を往復して、屈折率が異常光屈折率ｎｅの領域を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を４回通過する。即ち、入射光Ａ１がＳ偏光の光の場合では、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２を往復で通過することにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４を往復で通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ１として出射される。
【００４６】
また、入射光Ａ１がＰ偏光の光の場合では、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４を往復で通過することにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２を往復で通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ１として出射される。
【００４７】
一方、図３（ｂ）に示すように、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４に電圧が印加されている状態では、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ１が、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、これら４つの液晶層を往復して通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を８回通過し出射光Ｂ１として出射される。
【００４８】
ここで、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の液晶層の厚さをそれぞれｄ、入射光Ａ１の波長をλとし、液晶の屈折率異方性をΔｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）とした場合に、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、ともに、（１）に示す式となる。
【００４９】
Δφ＝｛（４×ｎｏ×ｄ＋４×ｎｅ×ｄ）−８×ｎｏ×ｄ｝×２π／λ
＝４×Δｎ×ｄ×２π／λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
このように、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、ともに同じ位相差となり、偏光方向における依存性がなく、どのような偏光状態の光が入射しても同じ位相差を得ることができる。
【００５０】
また、各液晶層に印加する電圧によって、液晶位相変調素子を往復する光の位相差を、０〜２πの範囲で制御するためには、（２）に示す式を満たすことが必要となる。
【００５１】
４×Δｎ×ｄ≧λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
上記説明では、液晶層が４層の場合について説明したが、本実施の形態における液晶位相変調素子では、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層と液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層と、の数が等しくなるよう構成されていることが望ましい。尚、応答速度を高めるためにはｄの値を小さくし、液晶層の数を増やすことが好ましいが、液晶層の数に制限があって一定の値以上の厚さとなる場合、上記のように温度制御部を設けて温度調整することで応答速度を高めることができる。また、液晶層の数をｍとした場合、位相差を０〜２πの範囲で制御するためには、（３）に示す式を満たすことが必要となる。
【００５２】
ｍ×Δｎ×ｄ≧λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
尚、ｍの値は、印加する電圧の変化に対して、入射する光の偏光状態に依存せず、いずれの偏光成分の光に対しても同じ位相差が与えられるように、２以上の偶数であることが好ましい。
【００５３】
このように、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、入射光の偏光方向に依存することなく、一層当たりの液晶層を薄くすることができるため、印加する電圧の変化に対応して、高速で位相変調を行うことが可能である。
【００５４】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスにおいて、液晶位相変調素子を構成する液晶層の層数は２以上の偶数であって、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層の数と、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層の数は等しく構成されている。
【００５５】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における液晶位相変調素子２と光反射部３との間の光路中に１／４波長板２１を設けた構成である。本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、第１の実施の形態と同様に、必要に応じて温度制御部５を有するものであり、図４において電圧制御部４、温度制御部５及び形成される各々の透明電極は省略されている。図４（ａ）は、電圧制御部４より電圧が印加されていない状態の液晶位相変調素子を示すものであり、図４（ｂ）は、電圧制御部４より電圧が印加されている状態の液晶位相変調素子を示すものである。尚、図４（ａ）中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における液晶の配向方向を示す。図５は本実施の形態に用いられる１／４波長板２１の光学軸（遅相軸または進相軸）方向を示す平面図である。
【００５６】
本実施の形態において用いられる１／４波長板２１は、ＸＹ平面においてＸ軸及びＹ軸に対して４５°の方向となる光学軸２１ｒを有している。この１／４波長板２１を構成する材料の屈折率異方性をΔｎ１、厚さをｄ１、入射する光の波長をλとした場合に、（４）に示す式を満たすものである。尚、ｐは０以上の整数である。
【００５７】
Δｎ１×ｄ１≒（２ｐ＋１）×λ／４・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
図４（ａ）に示すように、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２の液晶分子はＸ軸方向に水平配向し、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の液晶分子はＹ軸方向に水平配向している。
【００５８】
よって、第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２は、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４は、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【００５９】
従って、入射光Ａ２がＳ偏光の光の場合では、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２を通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４を通過する。この後、１／４波長板２１を透過することにより円偏光の光となり、光反射部３で反射され、再び、１／４波長板２１を透過することによりＰ偏光の光となる。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第４の液晶層１４及び第３の液晶層１３を通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶層１２及び第１の液晶層１１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ２として出射される。
【００６０】
また、入射光Ａ２がＰ偏光の光の場合では、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２を通過し、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４を通過する。この後、１／４波長板２１を透過することにより円偏光の光となり、光反射部３で反射され、再び、１／４波長板２１を透過することによりＳ偏光の光となる。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第４の液晶層１４及び第３の液晶層１３を通過し、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶層１２及び第１の液晶層１１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ２として出射される。
【００６１】
一方、図４（ｂ）に示すように、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、第１の実施の形態と同様に、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ２が、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、これら４つの液晶層を往復して通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を８回通過し出射光Ｂ２として出射される。
【００６２】
よって、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、ともに、（１）に示す式となる。
【００６３】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、電圧を印加していない状態において入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、液晶位相変調デバイスを往復する光路中において、いずれも、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の全ての液晶層において、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる領域を１度、通過するものである。従って、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４において液晶層の厚さを同一となるｄとしたが、液晶層を作製する際に、各液晶層の厚さが、所望の値に対して０．１μｍ程度の差異を有して不均一であっても、入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光はともに、往復して均一の位相差を生じさせることができる。
【００６４】
また、第１の実施の形態と異なり、液晶位相変調素子を構成する液晶層の数は奇数でもよく、また、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層の数と、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層の数は異なってもよい。更には、どちらか一方の水平配向方向、即ち、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層のみ、または、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層のみにより構成してもよい。また、液晶層の数は、４層に限らず、３層以上であればよい。例えば、液晶層が３層からなり、電圧を印加していない状態において、これら３つの液晶層がいずれもＸ軸方向に配向している場合、入射光Ａ２のうち、Ｓ偏光の光は往路のみで位相変調され、入射光Ａ２のうち、Ｐ偏光の光は復路のみで位相変調される。
【００６５】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光反射部３として反射プリズム３２を設け、第１の実施の形態における液晶位相変調素子２と光反射部３となる反射プリズム３２との間の光路中に、一部、１／２波長板を有する波長板３１を設けた構成である。本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、第１の実施の形態と同様に、必要に応じて温度制御部５を有するものであり、図６において電圧制御部４、温度制御部５及び形成される各々の透明電極は省略されている。図６（ａ）は、電圧制御部４より電圧が印加されていない状態の液晶位相変調素子を示すものであり、図６（ｂ）は、電圧制御部４より電圧が印加されている状態の液晶位相変調素子を示すものである。尚、図６（ａ）中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における液晶の配向方向を示す。図７は本実施の形態に用いられる波長板３１の光学軸（遅相軸または進相軸）方向を示す平面図である。
【００６６】
本実施の形態において用いられる波長板３１は、第１の領域３１ａと第２の領域３１ｂとを有しており、第１の領域３１ａには１／２波長板が設けられている。第１の領域３１ａに設けられた１／２波長板は、図７に示すように、ＸＹ平面においてＸ軸及びＹ軸に対して４５°の方向の光学軸３１ｒを有している。第１の領域３１ａに設けられた１／２波長板を構成する材料の屈折率異方性をΔｎ２、厚さをｄ２、入射する光の波長をλとした場合に、（５）に示す式を満たすものである。第２の領域は入射する光に対して位相差を発生しないように、ガラスや石英ガラスなど等方性の透明材料が形成されているか、または、何も形成されず、空気が存在している状態であってもよい。尚、ｑは０以上の整数である。尚、波長板３１は、入射光が第１の領域３１ａを通過し、光反射部３となる反射プリズム３２において反射された光は第２の領域３１ｂを通過するように、第１の領域３１ａと第２の領域３１ｂとが配置されていればよい。
【００６７】
Δｎ２×ｄ２≒（２ｑ＋１）×λ／２・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
図６（ａ）に示すように、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２の液晶分子はＸ軸方向に水平配向し、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の液晶分子はＹ軸方向に水平配向している。
【００６８】
よって、第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２は、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４は、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【００６９】
従って、入射光Ａ３がＳ偏光の光の場合では、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２を通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４を通過する。この後、波長板３１において１／２波長板の設けられている第１の領域３１ａを透過することにより、Ｐ偏光の光となる。この後、反射プリズム３２により反射され、波長板３１における第２の領域３１ｂを通過し、更に、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第４の液晶層１４及び第３の液晶層１３を通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶層１２及び第１の液晶層１１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ３として出射される。
【００７０】
また、入射光Ａ３がＰ偏光の光の場合では、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層１１及び第２の液晶層１２を通過し、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４を通過する。この後、波長板３１において１／２波長板の設けられている第１の領域３１ａを透過することにより、Ｓ偏光の光となる。この後、反射プリズム３２により反射され、波長板３１における第２の領域３１ｂを通過し、更に、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第４の液晶層１４及び第３の液晶層１３を通過し、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶層１２及び第１の液晶層１１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ３として出射される。
【００７１】
一方、図６（ｂ）に示すように、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、第１の実施の形態と同様に、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ３が、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、これら４つの液晶層を往復して通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を８回通過し出射光Ｂ３として出射される。
【００７２】
よって、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、ともに、（１）に示す式となる。
【００７３】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、電圧を印加していない状態において入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、液晶位相変調デバイスを往復する光路中において、いずれも、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４の全ての液晶層において、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる領域を１度、通過するものである。従って、第１の液晶層１１、第２の液晶層１２、第３の液晶層１３及び第４の液晶層１４において液晶層の厚さを同一となるｄとしたが、液晶層を作製する際に、各液晶層の厚さが、所望の値に対して０．１μｍ程度の差異を有して不均一であっても、入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光はともに、往復して均一の位相差を生じさせることができる。
【００７４】
また、第１の実施の形態と異なり、液晶位相変調素子を構成する液晶層の数は奇数でもよく、また、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層の数と、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層の数は異なっていてもよい。更には、どちらか一方の水平配向方向、即ち、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層のみ、または、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層のみにより構成してもよい。尚、液晶層の数は、４層に限らず、３層以上であればよい。例えば、液晶層が３層からなり、電圧を印加していない状態において、これら３つの液晶層がいずれもＸ軸方向に配向している場合、入射光Ａ３のうち、Ｓ偏光の光は往路のみで位相変調され、入射光Ａ３のうち、Ｐ偏光の光は復路のみで位相変調される。
【００７５】
更に、本実施の形態では、第１の領域３１ａに１／２波長板を形成し、第２の領域３１ｂには複屈折性を有する材料を何も形成しない波長板３１を用いたものについて説明したが、逆に、第１の領域３１ａには１／２波長板を設けることなく、第２の領域３１ｂに１／２波長板を設けた波長板を用いてもよい。また、第１の領域３１ａまたは第２の領域３１ｂのどちらか一方の領域にのみ、１／２波長板を設置した構成であっても同様の効果を得ることができる。
【００７６】
また、本実施の形態では、反射プリズム３２を設けた構成について説明したが、入射光Ａ３を＋Ｚ軸方向より僅かに傾けて入射させる場合においては、反射プリズム３２に代えて反射ミラーを用いることも可能である。
【００７７】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態とは異なる第１の液晶層４１、第２の液晶層４２、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４を有しており、光反射部３に相当する部分には、反射プリズム４５が設けられている。本実施の形態では、反射プリズム４５は三角プリズムであって、反射プリズム４５に入射した光は、反射プリズム４５の第１の面４５ａで反射し、第１の面４５ａで反射した光は、更に第２の面４５ｂで反射し、反射プリズム４５より反射光として出射するものである。反射プリズム４５は、反射プリズム４５に入射した光が第１の面４５ａにおいて反射した光の進行方向がＸ軸方向となるように設置されている。
【００７８】
図８に示すように、第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２は、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向に対し＋４５°傾いた第１の方向となるように形成されており、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４は、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向に対し−４５°傾いた第２の方向となるように形成されている。尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、第１の実施の形態と同様に、必要に応じて温度制御部５を有するものであり、図８において電圧制御部４、温度制御部５及び形成される各々の透明電極は省略されている。また、本実施の形態においては、Ｘ軸に対し＋４５°傾いた方向の偏光の光をＳ偏光の光とし、Ｙ軸に対し＋４５°（Ｘ軸に対し−４５°）傾いた方向の偏光の光をＰ偏光の光として説明する。また、本実施の形態では、Ｓ偏光の光を第１の偏光方向の光、Ｐ偏光の光を第２の偏光方向の光という場合もある。尚、図８（ｂ）は、反射プリズム４５の上面図である。
【００７９】
図８（ａ）に示すように、第１の液晶層４１、第２の液晶層４２、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４に、電圧制御部４より電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の液晶分子は第１の偏光方向と平行する第１の方向に水平配向し、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４の液晶分子は第２の偏光方向と平行する第２の方向に水平配向している。
【００８０】
このように、第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２の液晶分子は第１の方向に水平配向しているため、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４の液晶分子は第２の方向に水平配向しているため、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【００８１】
従って、入射光Ａ４がＳ偏光の光４６ａの場合では、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２を通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４を通過し、Ｓ偏光の光４６ｂの状態で反射プリズム４５に入射する。反射プリズム４５に入射したＳ偏光の光４６ｂは、反射プリズム４５の２つの面、即ち、第１の面４５ａ及び第２の面４５ｂにおいて反射されＰ偏光の光４６ｃとなる。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第４の液晶層４４及び第３の液晶層４３を通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶層４２及び第１の液晶層４１を通過する。これより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し、Ｐ偏光の光４６ｄとなり出射光Ｂ４として出射される。
【００８２】
また、入射光Ａ４がＰ偏光の光４７ａの場合では、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層４１及び第２の液晶層４２を通過し、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４を通過し、Ｐ偏光の光４７ｂの状態で反射プリズム４５に入射する。反射プリズム４５に入射したＰ偏光の光４７ｂは、反射プリズム４５の２つの面において反射されＳ偏光の光４７ｃとなる。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第４の液晶層４４及び第３の液晶層４３を通過し、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶層４２及び第１の液晶層４１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し、Ｓ偏光の光４７ｄとなり出射光Ｂ４として出射される。
【００８３】
一方、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、第１の実施の形態と同様に、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ４が、Ｓ偏光の光４６ａ及びＰ偏光の光４７ａに対し、第１の液晶層４１、第２の液晶層４２、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、入射光Ａ４がＳ偏光の光４６ａ及びＰ偏光の光４７ａの場合では、ともに、これら４つの液晶層を往復して通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を８回通過し出射光Ｂ４として出射される。
【００８４】
よって、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光においては、ともに、（１）に示す式となる。
【００８５】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、第２の実施の形態及び第３の実施の形態と異なり、１／４波長板または１／２波長板を設けることなく、電圧を印加していない状態において入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、液晶位相変調デバイスを往復する光路中において、いずれも、第１の液晶層４１、第２の液晶層４２、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４の全ての液晶層において、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる領域を１度、通過させることができる。従って、第１の液晶層４１、第２の液晶層４２、第３の液晶層４３及び第４の液晶層４４において液晶層の厚さを同一となるｄとしたが、各液晶層を作製する際に、それぞれの厚さが、所望の値に対して０．１μｍ程度の差異を有して不均一であっても、入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光はともに、往復して均一の位相差を生じさせることができる。
【００８６】
また、第１の実施の形態と異なり、液晶位相変調素子を構成する液晶層の数は奇数でもよく、また、液晶分子が第１の方向に水平配向している液晶層の数と、液晶分子が第２の方向に水平配向している液晶層の数は異なっていてもよい。更には、どちらか一方の水平配向方向、即ち、液晶分子が第１の方向に水平配向している液晶層のみ、または、液晶分子が第２の方向に水平配向している液晶層のみにより構成してもよい。尚、液晶層の数は、４層に限らず、３層以上であればよい。液晶層が３層であれば、Ｓ偏光の光およびＰ偏光の光はいずれも、位相変調が与えられる液晶層を３度、透過させることができる。
【００８７】
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図９に示すように第１の実施の形態とは異なる第１の液晶層５１、第２の液晶層５２、第３の液晶層５３及び第４の液晶層５４を有する液晶位相変調素子５５により構成されており、本実施の形態における液晶位相変調素子５５は第１の実施の形態における液晶位相変調素子２と置き換えることができるものである。また、光反射部３に相当する部分には、反射プリズム５６が設けられている。尚、反射プリズム５６は、第３の実施の形態における反射プリズム３２と同様のものである。
【００８８】
図１０は、第１の液晶層５１の平面模式図を例示したものであるが、第１の液晶層５１は、第１の液晶領域５１ａと第２の液晶領域５１ｂとを有しており、第１の液晶領域５１ａにおける液晶分子の水平配向方向５１ｒはＸ軸方向であり、第２の液晶領域５１ｂにおける液晶分子の水平配向方向５１ｓはＹ軸方向である。第２の液晶層５２、第３の液晶層５３及び第４の液晶層５４は、第１の液晶層５１と同様の構成である。即ち、第２の液晶層５２は、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向である第１の液晶領域５２ａと、液晶分子の水平配向方向がＹ軸方向である第２の液晶領域５２ｂとを有しており、第３の液晶層５３は、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向である第１の液晶領域５３ａと、液晶分子の水平配向方向がＹ軸方向である第２の液晶領域５３ｂとを有しており、第４の液晶層５４は、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向である第１の液晶領域５４ａと、液晶分子の水平配向方向がＹ軸方向である第２の液晶領域５４ｂとを有している。
【００８９】
また、第１の液晶層５１における第１の液晶領域５１ａと第２の液晶領域５１ｂ、第２の液晶層５２における第１の液晶領域５２ａと第２の液晶領域５２ｂ、第３の液晶層５３における第１の液晶領域５３ａと第２の液晶領域５３ｂ、第４の液晶層５４における第１の液晶領域５４ａと第２の液晶領域５４ｂとは、Ｘ−Ｙ平面においてＹ軸方向に平行な境界線にて分離して、それぞれの領域の形状を略等しいものにしている。しかし、この構成に限らず、光反射部３となる反射プリズム５６に向かう光がいずれも第１の液晶領域５１ａ、５２ａ、５３ａ及び５４ａを通過し、反射プリズム５６において反射された光は第２の液晶領域５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ及び５４ｂを通過するように第１の液晶領域と第２の液晶領域とが配置されていればよい。
【００９０】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、第１の実施の形態と同様に、必要に応じて温度制御部５を有するものであり、図９において電圧制御部４、温度制御部５及び形成される各々の透明電極は省略されている。図９（ａ）は、電圧制御部４より電圧が印加されていない状態の液晶位相変調素子を示すものであり、図９（ｂ）は、電圧制御部４より電圧が印加されている状態の液晶位相変調素子を示すものである。尚、図９（ａ）中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における液晶の配向方向を示す。
【００９１】
図９（ａ）に示すように、第１の液晶層５１、第２の液晶層５２、第３の液晶層５３及び第４の液晶層５４に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層５１、第２の液晶層５２、第３の液晶層５３及び第４の液晶層５４における第１の液晶領域５１ａ、５２ａ、５３ａ及び５４ａとなる図面上、左側の領域の液晶分子はＸ軸方向に水平配向しており、第２の液晶領域５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ及び５４ｂとなる図面上、右側の領域の液晶分子はＹ軸方向に水平配向している。
【００９２】
従って、第１の液晶領域５１ａ、５２ａ、５３ａ及び５４ａでは、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第２の液晶領域５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ及び５４ｂでは、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【００９３】
よって、入射光Ａ５がＳ偏光の光の場合、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶領域５１ａ、５２ａ、５３ａ及び５４ａを通過し、反射プリズム５６により反射される。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶領域５４ｂ、５３ｂ、５２ｂ及び５１ｂを通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層の領域を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層の領域を４回通過し出射光Ｂ５として出射される。
【００９４】
また、入射光Ａ５がＰ偏光の光の場合、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶領域５１ａ、５２ａ、５３ａ及び５４ａを通過し、反射プリズム５６により反射される。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶領域５４ｂ、５３ｂ、５２ｂ及び５１ｂを通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層の領域を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層の領域を４回通過し出射光Ｂ５として出射される。
【００９５】
一方、図９（ｂ）に示すように、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、第１の実施の形態と同様に、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ５が、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層５１、第２の液晶層５２、第３の液晶層５３及び第４の液晶層５４の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、これら４つの液晶層を往復して通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を８回通過し出射光Ｂ５として出射される。
【００９６】
よって、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、ともに、（１）に示す式となる。
【００９７】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、電圧を印加していない状態において入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、液晶位相変調デバイスを往復する光路中において、いずれも、第１の液晶層５１、第２の液晶層５２、第３の液晶層５３及び第４の液晶層５４の全ての液晶層において、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる領域を１度、通過するものである。従って、第１の液晶層５１、第２の液晶層５２、第３の液晶層５３及び第４の液晶層５４において液晶層の厚さを同一となるｄとしたが、各液晶層を作製する際に、それぞれの厚さが、所望の値に対して０．１μｍ程度の差異を有して不均一である場合であっても、入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光はともに、往復して均一の位相差を生じさせることができる。
【００９８】
また、第１の実施の形態と異なり、液晶位相変調素子５５を構成する液晶層の数は４層に限らず、奇数であってもよく、３層以上であればよい。また、本実施の形態では、反射プリズム５６を設けた構成について説明したが、入射光Ａ５を＋Ｚ軸方向より僅かに傾けて入射させる場合においては、反射プリズム５６に代えて反射ミラーを用いることも可能である。
【００９９】
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図１１に示すように第１の実施の形態とは異なる第１の液晶層６１、第２の液晶層６２、第３の液晶層６３及び第４の液晶層６４を有する液晶位相変調素子６５により構成されており、本実施の形態における液晶位相変調素子６５は第１の実施の形態における液晶位相変調素子２と置き換えることができるものである。また、光反射部３に相当する部分には、反射プリズム６６が設けられている。尚、反射プリズム６６は、第３の実施の形態における反射プリズム３２と同様のものである。
【０１００】
図１２に基づき各々の液晶層について説明する。図１２（ａ）は、第１の液晶層６１の平面模式図を例示したものであるが、第１の液晶層６１は、第１の液晶領域６１ａと第２の液晶領域６１ｂとを有しており、第１の液晶領域６１ａにおける液晶分子の水平配向方向６１ｒはＸ軸方向であり、第２の液晶領域６１ｂにおける液晶分子の水平配向方向６１ｓはＹ軸方向である。第２の液晶層６２は、第１の液晶層６１と同様の構成である。即ち、第２の液晶層６２は、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向である第１の液晶領域６２ａと、液晶分子の水平配向方向がＹ軸方向である第２の液晶領域６２ｂとを有している。
【０１０１】
また、図１２（ｂ）は、第３の液晶層６３の平面模式図を例示したものであるが、第３の液晶層６３は、第１の液晶領域６３ａと第２の液晶領域６３ｂとを有しており、第１の液晶領域６３ａにおける液晶分子の水平配向方向６３ｒはＹ軸方向であり、第２の液晶領域６３ｂにおける液晶分子の水平配向方向６３ｓはＸ軸方向である。第４の液晶層６４は、第３の液晶層６３と同様の構成である。即ち、第４の液晶層６４は、液晶分子の水平配向方向がＹ軸方向である第１の液晶領域６４ａと、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向である第２の液晶領域６４ｂとを有している。
【０１０２】
また、第１の液晶層６１における第１の液晶領域６１ａと第２の液晶領域６１ｂ、第２の液晶層６２における第１の液晶領域６２ａと第２の液晶領域６２ｂ、第３の液晶層６３における第１の液晶領域６３ａと第２の液晶領域６３ｂ、第４の液晶層６４における第１の液晶領域６４ａと第２の液晶領域６４ｂとは、Ｘ−Ｙ平面においてＹ軸方向に平行な境界線にて分離して、それぞれの領域を略等しいものにしている。しかし、この構成に限らず、光反射部３となる反射プリズム６６に向かう光がいずれも第１の液晶領域６１ａ、６２ａ、６３ａ及び６４ａを通過し、反射プリズム６６において反射された光は第２の液晶領域６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ及び６４ｂを通過するように第１の液晶領域と第２の液晶領域とが配置されていればよい。
【０１０３】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、第１の実施の形態と同様に、必要に応じて温度制御部５を有するものであり、図１１において電圧制御部４、温度制御部５及び形成される各々の透明電極は省略されている。図１１（ａ）は、電圧制御部４より電圧が印加されていない状態の液晶位相変調素子を示すものであり、図１１（ｂ）は、電圧制御部４より電圧が印加されている状態の液晶位相変調素子を示すものである。尚、図１１（ａ）中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における液晶の配向方向を示す。
【０１０４】
図１１（ａ）に示すように、第１の液晶層６１、第２の液晶層６２、第３の液晶層６３及び第４の液晶層６４に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層６１及び第２の液晶層６２における図面上、左側の領域である第１の液晶領域６１ａ及び６２ａの液晶分子はＸ軸方向に水平配向しており、図面上、右側の領域である第２の液晶領域６１ｂ及び６２ｂの液晶分子はＹ軸方向に水平配向している。また、第３の液晶層６３及び第４の液晶層６４における図面上、左側の領域である第１の液晶領域６３ａ及び６４ａの液晶分子はＹ軸方向に水平配向しており、図面上、右側の領域である第２の液晶領域６３ｂ及び６４ｂの液晶分子はＸ軸方向に水平配向している。
【０１０５】
このように、第１の液晶領域６１ａ及び６２ａ、第２の液晶領域６３ｂ及び６４ｂでは、液晶分子がＸ軸方向に水平配向しているため、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第１の液晶領域６１ｂ及び６２ｂ、第２の液晶領域６３ａ及び６４ａでは、液晶分子がＹ軸方向に水平配向しているため、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【０１０６】
よって、入射光Ａ６がＳ偏光の光の場合では、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶領域６１ａ及び６２ａ、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶領域６３ａ及び６４ａを通過し、反射プリズム６６により反射される。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶領域６４ｂ及び６３ｂ、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶領域６２ｂ及び６１ｂを通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層の領域を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層の領域を４回通過し出射光Ｂ６として出射される。
【０１０７】
また、入射光Ａ６がＰ偏光の光の場合では、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶領域６１ａ及び６２ａ、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶領域６３ａ及び６４ａを通過し、反射プリズム６６により反射される。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶領域６４ｂ及び６３ｂ、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶領域６２ｂ及び６１ｂを通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層の領域を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層の領域を４回通過し出射光Ｂ６として出射される。
【０１０８】
一方、図１１（ｂ）に示すように、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、第１の実施の形態と同様に、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ６となるＳ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層６１、第２の液晶層６２、第３の液晶層６３及び第４の液晶層６４の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、第１の液晶層６１、第２の液晶層６２、第３の液晶層６３及び第４の液晶層６４を通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を８回通過し出射光Ｂ６として出射される。
【０１０９】
よって、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、ともに、（１）に示す式となる。
【０１１０】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、電圧を印加していない状態において入射する、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、液晶位相変調デバイスを往復する光路中において、いずれも、第１の液晶層６１、第２の液晶層６２、第３の液晶層６３及び第４の液晶層６４の全ての液晶層において、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる領域を１度、通過するものである。従って、第１の液晶層６１、第２の液晶層６２、第３の液晶層６３及び第４の液晶層６４において液晶層の厚さを同一となるｄとしたが、各液晶層を作製する際に、それぞれの厚さが、所望の値に対して０．１μｍ程度の差異を有して不均一である場合であっても、入射するＳ偏光の光及びＰ偏光の光はともに、往復して均一の位相差を生じさせることができる。
【０１１１】
また、第１の実施の形態と異なり、液晶位相変調素子６５を構成する液晶層の数は４層に限らず、奇数であってもよく、３層以上であればよい。また、本実施の形態では、反射プリズム６６を設けた構成について説明したが、入射光Ａ６を＋Ｚ軸方向より僅かに傾けて入射させる場合においては、反射プリズム６６に代えて反射ミラーを用いることも可能である。
【０１１２】
〔第７の実施の形態〕
第７の実施の形態について説明する。図１３は本実施の形態における液晶位相変調デバイスの構成図であって、第１〜６の実施の形態に対し、光が液晶位相変調素子を１往復半以上させて位相変調する構成である点が異なる。例えば、液晶位相変調素子に入射する光が特定の方向の直線偏光の光である場合、液晶層が１層から構成され、後述する第１の光反射部、第２の光反射部によって光が液晶位相変調素子を１往復半する液晶位相変調デバイスにおいて、１つの液晶層を３度通過するので、液晶層を薄くして入射する波長λの光の位相差を０〜２πの範囲で高速に応答できるように位相変調できる。
【０１１３】
本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、入射した光の位相を変調する液晶位相変調素子２と、液晶位相変調素子２に隣接して配置される入射光の波長の光を反射する第１の光反射部６と、液晶位相変調素子２を介し第１の光反射部６に対向して設けられた第２の光反射部７と、必要に応じ、液晶位相変調素子２の温度制御を行うための温度制御部５と、を有している。また、液晶位相変調素子２には、電圧を印加する電圧制御部４が接続される。
【０１１４】
第１の光反射部６及び第２の光反射部７は、反射ミラーまたは反射プリズム等により構成されており、入射する光を高い反射率で反射することが可能である。例えば、反射ミラーまたは反射プリズムは、反射面が、誘電体多層膜やアルミニウムや金などの金属膜などで形成される。
【０１１５】
次に、図１４、図１５及び図１６に基づき、本実施の形態における液晶位相変調デバイスについて、より詳しく説明する。
【０１１６】
図１４及び図１５に示すように本実施の形態における液晶位相変調デバイスにおける液晶位相変調素子は、４つの液晶層、即ち、第１の液晶層７１、第２の液晶層７２、第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４が積層されている。これら４つの液晶層は、透明導電膜及び配向膜の形成された５枚の透明基板の間に各々液晶を封入することにより形成される。尚、図１４中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における配向方向を示す。
【０１１７】
具体的には、第１の透明基板７５ａの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第２の透明基板７５ｂの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第１の透明基板７５ａの一方の面に形成された透明電極と第２の透明基板７５ｂの一方の面に形成された透明電極とが対向するように第１の透明基板７５ａと第２の透明基板７５ｂとを配置し、第１の透明基板７５ａと第２の透明基板７５ｂとの間に液晶を封入することにより、第１の液晶層７１が形成される。
【０１１８】
更に、第２の透明基板７５ｂの他方の面には、不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成されており、第３の透明基板７５ｃの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第２の透明基板７５ｂの一方の面に形成された透明電極と第３の透明基板７５ｃの一方の面に形成された透明電極とが対向するように第２の透明基板７５ｂと第３の透明基板７５ｃとを配置し、第２の透明基板７５ｂと第３の透明基板７５ｃとの間に液晶を封入することにより、第２の液晶層７２が形成される。
【０１１９】
更に、第３の透明基板７５ｃの他方の面には、不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成されており、第４の透明基板７５ｄの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第３の透明基板７５ｃの一方の面に形成された透明電極と第４の透明基板７５ｄの一方の面に形成された透明電極とが対向するように第３の透明基板７５ｃと第４の透明基板７５ｄとを配置し、第３の透明基板７５ｃと第４の透明基板７５ｄとの間に液晶を封入することにより、第３の液晶層７３が形成される。
【０１２０】
更に、第４の透明基板７５ｄの他方の面には、不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成されており、第５の透明基板７５ｅの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第４の透明基板７５ｄの一方の面に形成された透明電極と第５の透明基板７５ｅの一方の面に形成された透明電極とが対向するように第４の透明基板７５ｄと第５の透明基板７５ｅとを配置し、第４の透明基板７５ｄと第５の透明基板７５ｅとの間に液晶を封入することにより、第４の液晶層７４が形成される。
【０１２１】
また、第１の光反射部６には反射プリズム７６ａ及び７６ｃが設けられており、第２の光反射部７には反射プリズム７６ｂが設けられている。これにより、液晶位相変調素子に入射した入射光Ａ７は、液晶位相変調素子を通った後、反射プリズム７６ａにおいて反射され液晶位相変調素子を通る。この後、反射プリズム７６ｂにおいて反射され液晶位相変調素子を通る。この後、反射プリズム７６ｃにおいて反射され液晶位相変調素子を通り、入射光Ａ７は液晶位相変調素子を２往復する。
【０１２２】
図１６（ａ）は、第１の液晶層７１の平面模式図を例示したものであるが、第１の液晶層７１及び第２の液晶層７２は、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向となるように形成されており、図１６（ｂ）は、第３の液晶層７３の平面模式図を例示したものであるが、第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４は、液晶分子の水平配向方向がＹ軸方向となるように形成されている。尚、図１６（ａ）には、第１の液晶層７１について記載しているが、第２の液晶層７２についても同様であり、図１６（ｂ）には、第３の液晶層７３について記載しているが、第４の液晶層７４についても同様である。
【０１２３】
図１４に示すように、第１の液晶層７１、第２の液晶層７２、第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層７１及び第２の液晶層７２の液晶分子はＸ軸方向に水平配向し、第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４の液晶分子はＹ軸方向に水平配向している。
【０１２４】
よって、第１の液晶層７１及び第２の液晶層７２、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４は、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【０１２５】
従って、入射光Ａ７がＳ偏光の光の場合、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層７１及び第２の液晶層７２、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４を通過し、反射プリズム７６ａにおいて反射される。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第４の液晶層７４及び第３の液晶層７３、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶層７２及び第１の液晶層７１を通過し、反射プリズム７６ｂにおいて反射される。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層７１及び第２の液晶層７２、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４を通過し、反射プリズム７６ｃにおいて反射される。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第４の液晶層７４及び第３の液晶層７３、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶層７２及び第１の液晶層７１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層の領域を８回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層の領域を８回通過し出射光Ｂ７として出射される。
【０１２６】
また、入射光Ａ７がＰ偏光の光の場合、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層７１及び第２の液晶層７２、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４を通過し、反射プリズム７６ａにおいて反射される。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第４の液晶層７４及び第３の液晶層７３、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶層７２及び第１の液晶層７１を通過し、反射プリズム７６ｂにおいて反射される。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層７１及び第２の液晶層７２、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４を通過し、反射プリズム７６ｃにおいて反射される。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第４の液晶層７４及び第３の液晶層７３、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶層７２及び第１の液晶層７１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層の領域を８回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層の領域を８回通過し出射光Ｂ７として出射される。
【０１２７】
一方、図１５に示すように、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ７が、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層７１、第２の液晶層７２、第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、第１の液晶層７１、第２の液晶層７２、第３の液晶層７３及び第４の液晶層７４を通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層の領域を１６回通過し出射光Ｂ７として出射される。
【０１２８】
よって、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光については、ともに、（６）に示す式となる。
【０１２９】
Δφ＝｛（８×ｎｏ×ｄ＋８×ｎｅ×ｄ）−１６×ｎｏ×ｄ｝×２π／λ
＝８×Δｎ×ｄ×２π／λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
従って、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、波長λの光に対して２π以上の位相変調を行う場合において、各々の液晶層の厚さを薄くすることができるため、印加する電圧の変化に対応して、高速で位相変調を行うことが可能である。
【０１３０】
尚、本実施の形態における液晶位相変調デバイスにおいて、液晶位相変調素子を構成する液晶層の層数は２以上の偶数であって、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層の数と、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層の数は等しく構成されている。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【０１３１】
また、電圧を印加していない状態における各々の液晶層における液晶分子の配向方向は、一様なもの、つまり、Ｘ軸方向に水平配向するかまたは、Ｙ軸方向に水平配向する、としたが、第５、第６の実施の形態のように、各々の液晶層に、Ｘ軸方向に水平配向した（第１の）液晶領域、Ｙ軸方向に水平配向した（第２の）液晶領域を有するものであってもよい。そして、例えば、入射する光が２往復して出射する場合、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光はいずれも、電圧を印加しない状態において、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層の領域をそれぞれ８回ずつ透過させる液晶層の構成を有するものであってもよい。
【０１３２】
更に、第４の実施の形態のように、４つの液晶層のうち２つはＸ軸方向に対して４５°の方向に水平配向させて、Ｙ軸方向に対して４５°（Ｘ軸方向に対して−４５°）の方向に水平配向させ、三角プリズムの前後で直線偏光の光の方向を直交させる作用を得る構成を有するものであってもよい。
【０１３３】
〔第８の実施の形態〕
次に、第８の実施の形態について説明する。本実施の形態は、１／４波長板を設けた構成の液晶位相変調素子を有する液晶位相変調デバイスである。本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、第７の実施の形態と同様に、第１の光反射部６、第２の光反射部７及び必要に応じて温度制御部５を有するものであり、図１７及び図１８において電圧制御部４、温度制御部５及び形成される各々の透明電極は省略されている。また、液晶位相変調素子２には、電圧を印加する電圧制御部４が接続される。
【０１３４】
図１７及び図１８に基づき本実施の形態における液晶位相変調素子について説明する。本実施の形態における液晶位相変調素子は、２つの液晶層、即ち、第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２が積層されている。２つの液晶層、即ち、第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２は、透明導電膜及び配向膜の形成された３枚の透明基板の間に各々液晶を封入することにより形成される。更に、積層されている透明基板側には１／４波長板８４が設けられている。また、１／４波長板は透明基板面に積層されていてもよい。尚、図１７中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における配向方向を示す。
【０１３５】
具体的には、第１の透明基板８３ａの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第２の透明基板８３ｂの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第１の透明基板８３ａの一方の面に形成された透明電極と第２の透明基板８３ｂの一方の面に形成された透明電極とが対向するように第１の透明基板８３ａと第２の透明基板８３ｂとを配置し、第１の透明基板８３ａと第２の透明基板８３ｂとの間に液晶を封入することにより、第１の液晶層８１が形成される。
【０１３６】
更に、第２の透明基板８３ｂの他方の面には、不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成されており、第３の透明基板８３ｃの一方の面に不図示の透明電極と不図示の配向膜が形成され、第２の透明基板８３ｂの一方の面に形成された透明電極と第３の透明基板８３ｃの一方の面に形成された透明電極とが対向するように第２の透明基板８３ｂと第３の透明基板８３ｃとを配置し、第２の透明基板８３ｂと第３の透明基板８３ｃとの間に液晶を封入することにより、第２の液晶層８２が形成される。
【０１３７】
また、第３の透明基板８３ｃの他方の面の側には、１／４波長板８４を形成する。尚、本実施の形態において用いられる１／４波長板８４は、第２の実施の形態における１／４波長板２１と同様のものである。
【０１３８】
更に、図１９は、第１の液晶層７１の平面模式図を例示したものであるが、第１の液晶層８１は、液晶分子の水平配向方向８１ｒがＸ軸方向となるように形成されている。同様に、第２の液晶層８２も、液晶分子の水平配向方向がＸ軸方向となるように形成されている。尚、図１９には、第１の液晶層８１について記載しているが、第２の液晶層８２についても同様である。これより、本実施の形態における液晶位相変調素子８５が形成される。
【０１３９】
また、第７の実施の形態と同様に、第１の光反射部６には反射プリズム８６ａ及び８６ｃが設けられており、第２の光反射部７には反射プリズム８６ｂが設けられている。これにより、液晶位相変調素子に入射した入射光Ａ８は、液晶位相変調素子８５および１／４波長板８４を通った後、反射プリズム８６ａにおいて反射され、再び１／４波長板８４および液晶位相変調素子８５を通る。この後、反射プリズム８６ｂにおいて反射され更に液晶位相変調素子８５および１／４波長板８４を通る。更に、この後、反射プリズム８６ｃにおいて反射され更に再び、１／４波長板８４および液晶位相変調素子８５を通る。
【０１４０】
図１７に示すように、第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２の液晶分子はＸ軸方向に水平配向している。よって、第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２は、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。
【０１４１】
従って、入射光Ａ８がＳ偏光の光の場合では、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２を通過し、１／４波長板８４を透過することにより円偏光の光となり、反射プリズム８６ａで反射され、再び、１／４波長板８４を透過することによりＰ偏光の光となる。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶層８２及び第１の液晶層８１を通過し、反射プリズム８６ｂで反射され、再び、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２を通過する。この後、１／４波長板８４を透過することにより円偏光の光となり、反射プリズム８６ｃで反射され、再び、１／４波長板８４を透過することによりＳ偏光の光となる。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶層８２及び第１の液晶層８１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ８として出射される。
【０１４２】
また、入射光Ａ８がＰ偏光の光の場合では、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２を通過し、１／４波長板８４を透過することにより円偏光の光となり、反射プリズム８６ａで反射され、再び、１／４波長板８４を透過することによりＳ偏光の光となる。この後、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第２の液晶層８２及び第１の液晶層８１を通過し、反射プリズム８６ｂで反射され、再び、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２を通過する。この後、１／４波長板８４を透過することにより円偏光の光となり、反射プリズム８６ｃで反射され、再び、１／４波長板８４を透過することによりＰ偏光の光となる。この後、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる第２の液晶層８２及び第１の液晶層８１を通過する。これにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を４回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を４回通過し出射光Ｂ８として出射される。
【０１４３】
一方、図１８に示すように、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、第１の実施の形態と同様に、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ８が、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、第１の液晶層８１及び第２の液晶層８２を通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を８回通過し出射光Ｂ８として出射される。
【０１４４】
よって、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、ともに、（１）に示す式となる。
【０１４５】
このように、本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、液晶層の層数を第１の実施形態で例示した４層の半分とした場合であっても、各液晶層が同じ厚さであっても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１４６】
また、第７の実施の形態と異なり、液晶位相変調素子を構成する液晶層の数は奇数であってもよく、また、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層の数と、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層の数は異なっていてもよい。更には、どちらか一方の水平配向方向、即ち、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層のみ、または、液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層のみにより構成してもよく、反射プリズムの数をさらに増やして、形成される液晶層を１層のみで構成するものであってもよい。例えば、入射光が特定の方向の直線偏光の光であれば、その偏光方向の光のみ位相変調をすればよいので、例えば、液晶層１層のみの液晶位相変調素子の場合、光が１往復半以上、つまり、３度以上透過させることで、高速に応答が可能となる。また、Ｓ偏光の光およびＰ偏光の光いずれも位相変調させるとき、例えば、液晶層１層のみの液晶位相変調素子の場合、光を３往復以上させ、液晶層２層の液晶位相変調素子の場合、光を１往復半以上させることで、高速に応答が可能となる。
【０１４７】
尚、１／４波長板８４を、液晶位相変調素子８５と反射プリズム８６ａおよび反射プリズム８６ｃとの間の光路中に配置したが、これに限らず、液晶位相変調素子８５と反射プリズム８６ｂとの間の光路中に配置してもよい。また、１／４波長板８４を配置したが、これに代えて、第３の実施の形態のように１／２波長板が、反射プリズム８６ａで反射する光の前後の光路中のいずれかの領域と、反射プリズム８６ｃで反射する光の前後の光路中のいずれかの領域に配置される構成であってもよい。この構成でも、１／４波長板８４の場合と同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
〔第９の実施の形態〕
次に、第９の実施の形態について説明する。図２０は本実施の形態における液晶位相変調デバイスの構成図であって、第１〜８の実施の形態に対し、光が液晶位相変調素子を１度だけ透過させて位相変調する構成である点が異なる。
【０１４９】
本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、入射した光の位相を変調する液晶位相変調素子２と、必要に応じ、液晶位相変調素子２の温度制御を行うための温度制御部５と、を有している。また、液晶位相変調素子２には、電圧を印加する電圧制御部４が接続される。電圧制御部４および温度制御部５は、第１の実施の形態に基づくものを利用できる。
【０１５０】
図２１は、本実施の形態における液晶位相変調デバイスの構造をより詳細に示す構造模式図である。図２１（ａ）は、液晶位相変調デバイスにおける断面模式図である。図２１（ａ）では、本実施の形態における液晶位相変調素子２に＋Ｚ方向に入射する入射光Ａ９を図示する。
【０１５１】
本実施の形態における液晶位相変調素子２は、６つの液晶層、即ち、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２、第３の液晶層９３、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６が積層されている。そして、これら６つの液晶層は、透明導電膜及び配向膜の形成された７枚の透明基板の間に各々液晶を封入することにより形成される。
【０１５２】
次に、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２、第３の液晶層９３、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６における液晶分子の配向方向について説明する。図２１（ｂ）に第１の液晶層９１、第２の液晶層９２及び第３の液晶層９３の液晶分子の配向方向を示す。第１の液晶層９１及び第２の液晶層９２及び第３の液晶層９３は、液晶分子の水平配向方向９１ｒ（９２ｒ、９３ｒ）がともにＸ軸方向であり、ともに同じ配向方向である。図２１（ｃ）に第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６の配向方向を示す。第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６は、液晶分子の水平配向方向９４ｒ（９５ｒ、９６ｒ）がともにＹ軸方向であり、ともに同じ配向方向である。
【０１５３】
尚、本実施の形態においては、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２及び第３の液晶層９３における液晶分子の水平配向方向をＸ軸方向とし、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６における液晶分子の水平配向方向をＹ軸方向とした場合について説明するが、これら６つの液晶層のうち、いずれか３つの液晶層における液晶分子の水平配向方向をＸ軸方向とし、残りの３つの液晶層における液晶分子の水平配向方向をＹ軸方向としてもよい。
【０１５４】
次に、図２２に基づき液晶位相変調デバイスに光を入射した場合について説明する。尚、図２２においては、電圧制御部４、温度制御部５及び形成される各々の透明電極は省略されている。具体的には、液晶位相変調素子２に入射光Ａ９が入射し、液晶位相変調素子２内を透過した後、出射光Ｂ９として出射する場合について説明する。
【０１５５】
図２２（ａ）に示すように、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２、第３の液晶層９３、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６に電圧が印加されていない状態では、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２及び第３の液晶層９３の液晶分子はＸ軸方向に水平配向し、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６の液晶分子はＹ軸方向に水平配向している。尚、図２２（ａ）中の各々の液晶層に示す矢印は、電圧が印加されていない状態における液晶の配向方向を示す。
【０１５６】
よって、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２及び第３の液晶層９３は、Ｓ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｐ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。また、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６は、Ｐ偏光の光における屈折率は異常光屈折率ｎｅとなり、Ｓ偏光の光における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、ともに、これら６つの液晶層のうち、屈折率が異常光屈折率ｎｅの領域を３回通過し、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を３回通過する。
【０１５７】
即ち、入射光Ａ９がＳ偏光の光の場合では、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２及び第３の液晶層９３を通過することにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を３回通過し、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６を通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を３回通過し出射光Ｂ９として出射される。
【０１５８】
また、入射光Ａ９がＰ偏光の光の場合では、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６を通過することにより、屈折率が異常光屈折率ｎｅとなる液晶層を３回通過し、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２及び第３の液晶層９３を通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏとなる液晶層を３回通過し出射光Ｂ９として出射される。
【０１５９】
一方、図２２（ｂ）に示すように、各々の液晶層に電圧が印加されている状態では、各々の液晶層において水平配向している液晶分子の長軸方向が、電圧の印加方向である各々の液晶層の厚さ方向に傾き、一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子の長軸方向が各々の透明基板面に対し略垂直方向に配向する。この際、入射光Ａ９が、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光に対し、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２、第３の液晶層９３、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６の各々の液晶層における屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、これら６つの液晶層を通過することにより、屈折率が常光屈折率ｎｏの領域を６回通過し出射光Ｂ９として出射される。
【０１６０】
ここで、第１の液晶層９１、第２の液晶層９２、第３の液晶層９３、第４の液晶層９４、第５の液晶層９５及び第６の液晶層９６の厚さをｄ、入射光Ａ９の波長をλとし、用いた液晶における屈折率異方性をΔｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）とした場合に、本実施の形態における液晶位相変調デバイスに電圧を印加した場合と印加していない場合の位相差Δφは、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、ともに、（７）に示す式となる。
【０１６１】
Δφ＝｛（３×ｎｏ×ｄ＋３×ｎｅ×ｄ）−６×ｎｏ×ｄ｝×２π／λ
＝３×Δｎ×ｄ×２π／λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７）
このように、Ｓ偏光の光及びＰ偏光の光は、ともに同じ位相差となり、偏光方向における依存性がなく、どのような偏光状態の光が入射しても同じ位相差を得ることができる。
【０１６２】
また、各液晶層に印加する電圧によって、液晶位相変調素子を透過する光の位相差を、０〜２πの範囲で制御するためには、（８）に示す式を満たすことが必要となる。
【０１６３】
３×Δｎ×ｄ≧λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
上記説明では、液晶層が６層の場合について説明したが、本実施の形態における液晶位相変調素子では、液晶分子がＸ軸方向に水平配向している液晶層と液晶分子がＹ軸方向に水平配向している液晶層の数が等しくなるよう構成されていることが望ましい。尚、応答速度を高めるためにはｄの値を小さくし、液晶層の数を増やすことが好ましいが、液晶層の数に制限があって一定の値以上の厚さとなる場合、上記の温度制御部５を設けて温度調整することで応答速度を高めることができる。また、液晶層の数をｍとした場合、位相差を０〜２πの範囲で制御するためには、（９）に示す式を満たすことが必要となる。
【０１６４】
ｍ／２×Δｎ×ｄ≧λ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）
尚、ｍの値は、印加する電圧の変化に対して、入射する光の偏光状態に依存せず、いずれの偏光成分の光に対しても同じ位相差が与えられるように、２以上の偶数であることが好ましい。
【０１６５】
尚、本実施の形態では、入射する光の偏光状態に依存せずに位相変調が可能な構成としたが、入射する光が特定の方向の直線偏光の光であれば、その偏光方向の光のみ位相変調をすればよいので、液晶位相変調素子は、３つの液晶層のみを重ねられた構成であって、特定の直線偏光の方向の光に対して位相変調が可能な液晶層を３回透過させるものであってもよい。
【０１６６】
本実施の形態における液晶位相変調デバイスでは、光反射部等を設けることなく位相変調を行うことが可能である。また、入射光の偏光方向に依存せず、位相変調を行うことができる液晶位相変調デバイスを得ることができる。
【実施例】
【０１６７】
（実施例）
本実施例では、具体的に１つの液晶層からなる液晶位相変調素子について、液晶層の厚さを特定し、動作時に所定の温度を与えることによって、液晶層に印加する電圧を変化させたときの応答速度を調べたものである。これによって、例えば、液晶層の厚さを変えたときの応答速度、液晶層を複数層重ねて配置させる液晶位相変調素子を構成したときの応答速度についても見積もることができる。そして、本実施例では、図２３に示す液晶位相変調素子を作製して検討を行った結果について説明する。まず、この液晶位相変調素子の作製方法について説明する。
【０１６８】
最初に、石英ガラスにより形成される第１の透明基板１１１の一方の面に、膜厚が８ｎｍのＩＴＯ膜からなる第１の透明電極１１２を形成し、他方の面に反射防止膜１１３を形成した。同様に、石英ガラスにより形成される第２の透明基板１２１の一方の面に膜厚が８ｎｍのＩＴＯ膜からなる第２の透明電極１２２を形成し、他方の面に反射防止膜１２３を形成した。
【０１６９】
次に、第１の透明基板１１１において第１の透明電極１１２の形成された面上の、光が入射する有効領域に、ＳｉＯ２を主成分とする透明な絶縁膜１１４を形成し、更に、ポリイミド膜を膜厚が５０ｎｍ程度となるように塗布し硬化させ、その後、Ｙ軸方向にラビング処理して第１の配向膜１１５を形成した。同様に、第２の透明基板１２１において第２の透明電極１２２の形成された面上の、光が入射する有効領域に、ＳｉＯ２を主成分とする透明な絶縁膜１２４を形成し、更に、ポリイミド膜を膜厚が５０ｎｍ程度となるように塗布し硬化させ、その後、Ｙ軸方向にラビング処理して第２の配向膜１２５を形成した。
【０１７０】
次に、第１の透明基板１１１の第１の透明電極１１２上に直径６μｍの不図示のギャップ制御材が混入された熱硬化型のエポキシ材料からなるシール１１６を印刷法により形成した。シール１１６を形成した後、第１の配向膜１１５と第２の配向膜１２５が対向するように、第２の透明基板１２１がシール１１６と接するように第１の透明基板１１１と第２の透明基板１２１とを重ね合わせて圧着することにより、第１の透明電極１１２と第２の透明電極１２２との間隔が６μｍとなる空セルを形成した。
【０１７１】
次に、波長１５５０ｎｍの光における異常光屈折率ｎｅが、１．６５３、常光屈折率ｎｏが１．４８９の液晶を空セルに設けられた不図示の注入口から注入し、その注入口を封止して液晶分子の長軸方向が平行するように配向した液晶層１１７を形成し液晶位相変調素子を作製した。尚、この液晶位相変調素子は、第１の透明電極１１２と第２の透明電極１２２は、電極が外部に引き出された構造を有して交流電源１１８に接続されており、交流電圧を印加することが可能である。
【０１７２】
次に、この液晶位相変調素子に交流電源１１８により、１０ｋＨｚの周波数の矩形波交流電圧を０Ｖｒｍｓから１５Ｖｒｍｓまで、０．１Ｖｒｍｓごとに印加した。そして、各駆動電圧において、矩形波交流電圧が０Ｖｒｍｓのときの液晶分子の配向方向であるＹ軸方向に対し４５°の角度をなす直線偏光の光をＺ軸方向に沿って第１の透明基板１１１側から入射した。具体的に、波長１５５０ｎｍの直線偏光の光を入射させて、セナルモン法により常光屈折率ｎｏの偏光方向の光と異常光屈折率ｎｅの偏光方向の光との間に生じる位相差Γを測定し、その結果に基づき、液晶分子のｎｅ方向の入射偏光における０Ｖｒｍｓに対する位相変化を見積もった結果を図２４に示す。
【０１７３】
このとき、液晶位相変調素子の側面には不図示のペルチェ素子を設け、液晶位相変調素子の温度が４５℃となるように温度制御をした。図２４より、１５Ｖｒｍｓにおける位相変化が約２１７°であり、これに基づき、液晶層のギャップ（厚さ）と入射する光に対する位相変化が厚さに対して比例関係にあると計算できるので、
２μｍ：約７２°、
３μｍ：約１０８°、
４μｍ：約１４４°、
５μｍ：約１８１°、
となる。この結果に基づき、液晶層のギャップと液晶分子のｎｅ方向の入射偏光の位相変化が１波長（３６０°（＝２π））以上変化させるために必要な液晶層の数は、
２μｍ：５層以上、
３μｍ：４層以上、
４μｍ：３層以上、
５μｍ：２層以上、
と見積もることができる。
【０１７４】
次に、液晶位相変調素子における位相変化の応答速度について説明する。作製した液晶位相変調素子に波長１５５０ｎｍの光矩形波交流電圧が０Ｖｒｍｓのときの液晶分子の配向方向であるＹ軸方向に対し４５°の角度をなす直線偏光の光をＺ軸方向に沿って第１の透明基板１１１側から入射した。液晶位相変調素子における光の出射側となる第２の透明基板１２１側には入射偏光方向と直交するＹ軸方向に対し−４５°の角度の光のみ透過する偏光子を配置し、交流電源１１８により液晶位相変調素子に電圧を印加（ＯＦＦ→ＯＮ）した場合、また、遮断（ＯＮ→ＯＦＦ）した場合における光透過光量の時間的変化を光検出器とオシロスコープを用いて測定した。尚、交流電源１１８により、１０ｋＨｚの０Ｖｒｍｓ（ＯＦＦ）から１５Ｖｒｍｓ（ＯＮ）の矩形波電圧を印加し、また、遮断することにより行った。また、液晶位相変調素子の側面には不図示のペルチェ素子を設け、液晶位相変調素子の温度が４５℃となるように温度制御を行った。尚、電圧のＯＮ→ＯＦＦ、ＯＦＦ→ＯＮは、液晶の位相変調の応答時間よりも非常に速い時間（ナノ秒単位）で切り替えを行った。
【０１７５】
このようにして測定した不図示の偏光子を透過する光量の、電圧の切り替えに対する時間的変化を（１０）に示す式を用いて、位相の時間変化に換算し、位相が９０％遷移する時間変化（位相応答速度）を求めた。
【０１７６】
Ｉ∝（ｓｉｎ（Γ／２））２・・・・・・・・・（１０）
ここで、Ｉは透過光量、Γは液晶位相変調素子の位相差である。この結果、６μｍのギャップを有する液晶層において、
０Ｖｒｍｓから１５Ｖｒｍｓの電圧印加：０．７ｍｓｅｃ、
１５Ｖｒｍｓから０Ｖｒｍｓの電圧遮断：１９．５ｍｓｅｃ、
であり、液晶位相変調素子における位相応答速度は、一般的に、液晶層のギャップの２乗に比例することから、液晶層のギャップと位相応答速度の関係は計算により導くことができ、表１に示すものとなる。
【０１７７】
【表１】
2011043588.tif 000003
以上の結果より、液晶層のギャップが４μｍ以下で位相応答速度が１０ｍｓｅｃ以下の高速の応答を示すものを得ることができる。よって、液晶層のギャップが４μｍ以下の液晶層を積層させて光を直進透過させる第９の実施の形態に基づく液晶位相変調デバイスの構成にするかまたは、例えば、４μｍ以下の液晶素子層に複数回、光を往復して入射させる第１〜第８の実施の形態に基づく構成を有する液晶位相変調デバイスの構成にすることにより、所望の位相変調量を高速で制御することができる。尚、液晶層のギャップを狭めるほど位相応答速度を速くすることが可能である。
【０１７８】
以上、入射光の偏光方向に依存することなく、１０ｍｓｅｃ以下の速い位相応答速度を有する液晶位相変調デバイスを得ることができる。
【０１７９】
（比較例）
波長１５５０ｎｍの光で１波長（２π）の位相変化を得るためには、約１０μｍの液晶層のギャップが必要であり、その際の位相応答速度は、
温度が、４５℃において、
０Ｖｒｍｓから１５Ｖｒｍｓの電圧印加：２ｍｓｅｃ、
１５Ｖｒｍｓから０Ｖｒｍｓの電圧遮断：５４ｍｓｅｃ、
温度が、室温において、
０Ｖｒｍｓから１５Ｖｒｍｓの電圧印加：４．２ｍｓｅｃ、
１５Ｖｒｍｓから０Ｖｒｍｓの電圧遮断：１０３ｍｓｅｃ、
である。以上より、比較例に対し、実施例は位相応答速度が極めて速くなり、本実施の形態における液晶位相変調デバイスは、顕著な効果を有するものである。
【符号の説明】
【０１８０】
２          位相変調素子
３          光反射部
４          電圧制御部
５          温度制御部
１１        第１の液晶層
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ        透明電極
１２        第２の液晶層
１３        第３の液晶層
１４        第４の液晶層
１５ａ      第１の透明基板
１５ｂ      第２の透明基板
１５ｃ      第３の透明基板
１５ｄ      第４の透明基板
１５ｅ      第５の透明基板
Ａ１        入射光
Ｂ１        出射光
【図１】
2011043588.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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