(57)【要約】【課題】複数の波長の光を扱いながら、且つ素子のサイズを小さくして高密度化しながら、出力光の偏向角や幅を制御することのできる光制御素子を提供する。【解決手段】光制御素子は、導波路と、光入力部と、変調部とを備える。導波路は、アレイ状に並べて配置されたものである。光入力部は、複数の異なる波長の光を時分割で前記導波路に入力する。変調部は、前記導波路上の前記光の、位相および振幅の少なくともいずれかを変調する。【選択図】図１
2019184943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状に並べて配置された複数の導波路と、
複数の異なる波長の光を時分割で前記導波路に入力する光入力部と、
前記導波路上の前記光の、位相および振幅の少なくともいずれかを変調する変調部と、
を備える光制御素子。
【請求項２】
前記変調部は、
前記導波路に入力される光の波長に応じて前記アレイ上で隣接する前記導波路間の位相差を異ならせる位相変調部、
を備える請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】
前記位相変調部は、所定の偏向角を得るための前記導波路間の位相差が前記導波路に入力される光の波長に反比例するように前記光を位相変調する、
請求項２に記載の光制御素子。
【請求項４】
前記変調部は、
前記導波路に入力される光の波長に応じた個数の前記導波路からの前記光の出力強度が零になるように前記導波路における前記光の振幅を変調する振幅変調部、
を備える請求項１から３までのいずれか一項に記載の光制御素子。
【請求項５】
前記振幅変調部は、所定の出力光ビーム幅を得るために出力強度を非零とする前記導波路の個数が、基準となる光の波長である基準波長の場合の基準個数に、前記基準波長に対する前記導波路に入力される光の波長の比を乗じた値に基づくものになるように前記光を振幅制御する、
請求項４に記載の光制御素子。
【請求項６】
前記複数の導波路は、光の出力端側から見た場合に、Ｎ行１列または１行Ｎ列（ただし、Ｎは２以上の整数）のアレイ状に並べて配置されている、
請求項１から５までのいずれか一項に記載の光制御素子。
【請求項７】
前記複数の導波路は、光の出力端側から見た場合に、Ｍ行Ｎ列（ただし、ＭおよびＮはそれぞれ２以上の整数）のアレイ状に並べて配置されている、
請求項１から５までのいずれか一項に記載の光制御素子。
【請求項８】
前記複数の異なる波長は、赤色と緑色と青色とにそれぞれ対応する３種類の波長である、
請求項１から７までのいずれか一項に記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
出力する光線の偏向角やビーム幅を制御するために、フェーズドアレイを用いることが可能である。
光線の偏向角やビーム幅を適切に制御することは、例えば、インテグラル方式により表示される立体画像の高品質化につながる。
【０００３】
立体画像の表示に用いられるインテグラル方式は，１９０８年にLippmannが発表したインテグラルフォトグラフィ（ＩＰ，Integral Photography）と呼ばれる立体写真技術の原理に基づくものである。インテグラルフォトグラフィでは、撮影時には，多数の小さな要素レンズが２次元的に配列されたレンズアレイを通して被写体を撮影する。被写体から射出される各光線は、要素レンズを通して要素画像として、撮像素子における画素に取得される。また、表示時には、上記の各画素を、撮影に用いたレンズアレイに対する各撮像画素の位置関係と同じ場所に配置する。そして、表示素子の各画素から、撮影された画素値（輝度）に変調された光線が放射され、この光線が、レンズアレイを通過することで、撮影時に撮像素子に入射した光線と逆方向に進行する。そして、この光線が，被写体が存在した位置に被写体と等価な立体像を結ぶ。観察者は，この空間に結像した立体像を見るため、特別なメガネを必要とせず、普段ものを見るのと同じように立体像を見ることができる。
【０００４】
インテグラル方式で再現される空間像の解像度限界はレンズアレイのレンズ数で決まる。一方、レンズアレイの手前や奥に再生される立体像の解像度は、要素レンズに対応する要素画像の画素数で決まる。そのため、高精細な立体像を奥行き方向の広い範囲で再生するためには、レンズアレイを構成する要素レンズの小口径化と、要素画像を表示するディスプレイの狭画素間隔化が必要となる。つまり、再生像を大きくするためには、レンズの口径と画素間隔はそのままで、レンズの個数および画素数を増やす必要があり、レンズアレイおよびディスプレイの大面積化が必要となる。
【０００５】
インテグラル方式において、要素レンズを通して要素画像を空間に出射する方法が、従来技術として存在する。
また、インテグラル方式において、例えば赤（Ｒ）と緑（Ｇ）と青（Ｂ）の３原色の光源それぞれにおいて、光偏向素子を用いて、出力する光ビームの方向を時分割に制御する方法が、従来技術として存在する。
また、非特許文献１（特に、Fig.1やFig.3等）には、回折格子を用いて多方向に光ビームを出力する、三次元表示用のバックライトが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】David Fattal，Zhen Peng，Tho Tran，Sonny Vo，Marco Fiorentino，Jim Brug，Raymond G. Beausoleil， “A multi-directional backlight for a wide-angle, glasses-free three-dimensional display"，Nature，VOL.495，p.348-351，21 MARCH 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術による、要素レンズを通して要素画像を空間に出射する方法では、視点位置によって、レンズアレイを通して見える画素が変化することによって色モアレが生じる。通常、液晶ディスプレイは、ＲＧＢをそれぞれ表示する３つのドットにより、１画素を表示する。したがって、視点位置によって、レンズを通して見える色がＲかＧかＢかの画素で変化し、見えにくくなるという問題がある。
【０００８】
従来技術による、また、インテグラル方式において、例えば赤（Ｒ）と緑（Ｇ）と青（Ｂ）の３原色の光源それぞれにおいて、光偏向素子を用いて、出力する光ビームの方向を時分割に制御する方法では、高密度化が困難であるという問題がる。つまり、この技術では、高精細な立体像を再生するためには、要素画像を狭画素ピッチ化且つ超多画素化する必要が無くなり、また、要素画像とレンズが所望の位置からずれることによって生じる映像の劣化も無くすことができる。しかしながら、この技術を用いてカラー表示を行う場合には、1要素画像の中にＲ，Ｇ，Ｂの三つの光偏向デバイスが必要となり、また1つ要素画像の大きさも大きくなるため、高密度化が困難である。
【０００９】
また、非特許文献１に記載の方法においても、ここでもＲ，Ｇ，Ｂのそれぞれの光の波長に応じて、サイズの異なる回折格子を製作する必要があり、立体像の高密度化が困難である。
【００１０】
本発明は、上記の課題認識に基づいて行なわれたものであり、複数の波長の光を扱いながら、素子のサイズを小さくして高密度化しながら、出力光の偏向角や幅を制御することのできる光制御素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
［１］上記の課題を解決するため、本発明の一態様による光制御素子は、アレイ状に並べて配置された複数の導波路と、複数の異なる波長の光を時分割で前記導波路に入力する光入力部と、前記導波路上の前記光の、位相および振幅の少なくともいずれかを変調する変調部と、を備える。
【００１２】
［２］また、本発明の一態様は、上記の光制御素子において、前記変調部は、前記導波路に入力される光の波長に応じて前記アレイ上で隣接する前記導波路間の位相差を異ならせる位相変調部、を備えるものである。
【００１３】
［３］また、本発明の一態様は、上記の光制御素子において、前記位相変調部は、所定の偏向角を得るための前記導波路間の位相差が前記導波路に入力される光の波長に反比例するように前記光を位相変調するものである。
【００１４】
［４］また、本発明の一態様は、上記の光制御素子において、前記変調部は、前記導波路に入力される光の波長に応じた個数の前記導波路からの前記光の出力強度が零になるように前記導波路における前記光の振幅を変調する振幅変調部、を備えるものである。
【００１５】
［５］また、本発明の一態様は、上記の光制御素子において、前記振幅変調部は、所定の出力光ビーム幅を得るために出力強度を非零とする前記導波路の個数が、基準となる光の波長である基準波長の場合の基準個数に、前記基準波長に対する前記導波路に入力される光の波長の比を乗じた値に基づくものになるように前記光を振幅制御する。
【００１６】
［６］また、本発明の一態様は、上記の光制御素子において、前記複数の導波路は、光の出力端側から見た場合に、Ｎ行１列または１行Ｎ列（ただし、Ｎは２以上の整数）のアレイ状に並べて配置されているものである。
【００１７】
［７］また、本発明の一態様は、上記の光制御素子において、前記複数の導波路は、光の出力端側から見た場合に、Ｍ行Ｎ列（ただし、ＭおよびＮはそれぞれ２以上の整数）のアレイ状に並べて配置されているものである。
【００１８】
［８］また、本発明の一態様は、上記の光制御素子において、前記複数の異なる波長は、赤色と緑色と青色とにそれぞれ対応する３種類の波長である、光制御素子である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光制御素子に入力される光の波長に依らず、出力される光の偏向角を一定にそろえたり、出力される光の広がりの幅を一定に揃えたりすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態による光制御素子の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図２】同実施形態による変調部のさらに詳細な機能構成を示す機能ブロック図である。
【図３】同実施形態による光制御素子の構成をさらに詳細に示す構成図である。
【図４】同実施形態による振幅変調部の、所定の断面における断面図である。
【図５】同実施形態による位相変調部の、より詳細な構成を示す斜視図である。
【図６】同実施形態による導波路の出力端の配置を示す概略図（出力端側から見た図）である。
【図７】同実施形態における変調部による作用を説明するための概略図である。
【図８】同実施形態による光入力部の一部である時分割発光部の構成例を示す概略図である。
【図９】同実施形態において最短波長である波長４６０ｎｍ（λｍｉｎ）の光が入力される場合の、偏向角に対応する光の強度を示すグラフである。
【図１０】同実施形態における、入力光の波長ごとの、隣接導波路間の位相差と最大偏向角との関係を示すグラフである。
【図１１】同実施形態による、入力光の波長ごとの、出力される光ビームの広がり（幅）を示すグラフである。
【図１２】第２実施形態による変調部の構成を示すブロック図である。
【図１３】第３実施形態による変調部の構成を示すブロック図である。
【図１４】第４実施形態による、導波路の出力端の配置を示す概略図（出力端側から見た図）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態による光制御素子の機能構成を示す機能ブロック図である。図示するように、光制御素子１０は、光入力部１と、複数の導波路２と、各導波路２における変調部３とを含んで構成される。
光入力部１は、導波路２に光を入力する。具体的には、光入力部１は、時分割で、複数の異なる波長の光を導波路２に入力する。光の波長は、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応する３種類である。ただし、光入力部１が他の波長の組による光を時分割で導波路２に入力するようにしても良い。
光入力部１は、例えば、時分割で異なる波長の光を発する時分割発光部と、時分割発光部から発する光を複数の導波路２に分岐する光ビームスプリッターとで構成される。時分割発光部および光ビームスプリッターについては、後でも詳細に説明する。
導波路２の各々は、光入力部１から入力された光を、入力端（同図における右側）から出力端（同図における左側）へ導く。その光は、導波路２の出力端から出力される。複数の導波路２は、出力端側から見て、アレイ状に並べて配置されている。ここで、アレイ状の配置とは、Ｍ行Ｎ列に並べられた配置である。ただし、ここでＭおよびＮは整数であり、ＭとＮとの少なくともいずれかは２以上である。なお、各導波路２上に、変調部３が設けられている。
変調部３は、導波路２上において、光入力部１から入力された光の、位相および振幅の少なくともいずれかを変調する。本実施形態における変調部３は、具体的には、入力された光の、位相と振幅の両方を変調する。
【００２２】
導波路２の出力端（同図における左側）は、フェーズドアレイの光アンテナである。同図で配置されているフェーズドアレイを平面視すると、即ち、図１の左側から見ると、光アンテナは、Ｎ行１列のアレイ状に配置されている。
【００２３】
図２は、変調部３のさらに詳細な機能構成を示す機能ブロック図である。図示するように、変調部３は、位相変調部３１と、振幅変調部３２とを含んで構成される。
【００２４】
位相変調部３１は、導波路２上の光の位相を変調する。位相変調部３１は、導波路２における電気光学効果（ＥＯ効果）を持つ材料と、当該材料を挟む電極とを有する。この電極に所定の電圧を印加することにより、光の屈折率を変化させて位相を変調する。電気光学効果を持つ材料として、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３，Lithium Niobate，ＬＮ）や、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３，ＫＴＮ）や、ＥＯポリマー等を用いることができる。例えば、ＥＯポリマー光導波路を用いると、応答速度が速い（数十ギガヘルツ（ＧＨｚ）ないしは、それ以上）素子を実現することができる。
位相変調部３１は、導波路２に入力される光の波長に応じて、アレイ上で隣接する導波路間の位相差を異ならせるものである。
また、後述するように、位相変調部３１は、所定の偏向角を得るため、導波路間の位相差が、導波路に入力される光の波長に反比例するように光を位相変調する。
【００２５】
振幅変調部３２は、導波路２上の光の振幅を変調する。振幅変調部３２として、例えば、マッハ・ツェンダー変調器を用いることができる。マッハ・ツェンダー変調器は、1つの光源から分けた2つの光の間の位相差により振幅を変調するものである。マッハ・ツェンダー変調器における位相変調にも、上記のＥＯポリマー等の、電気光学効果を有する材料を用いることができる。
振幅変調部３２は、導波路２に入力される光の波長に応じた個数の導波路２からの光の出力強度が零になるように、導波路２における光の振幅を変調する。
また、具体的には、後述するように、振幅変調部３２は、所定の出力光ビーム幅を得るために出力強度を非零とする導波路２の個数が、基準となる光の波長である基準波長の場合の基準個数に、その基準波長に対する導波路に入力される光の波長の比を乗じた値に基づくものになるように光を振幅制御する。
【００２６】
図３は、光制御素子１０の構成をさらに詳細に示す構成図である。
同図において、２１は、光ビームスプリッターである。光ビームスプリッター２１には、入力光導波路が設けられている。この入力光導波路を介して、異なる波長の光が時分割で光ビームスプリッター２１に入力される。本例では、図示するように、λｍａｘ、λ、λｍｉｎの３種類の波長の光が、時分割で、光ビームスプリッター２１に入力される。これらの波長λｍａｘ、λ、λｍｉｎは、例えば、それぞれ、赤、緑、青の各色に対応するものである。なお、１時点では、これら３種類の波長の内の１種類の波長の光が光ビームスプリッター２１に入力される。光ビームスプリッター２１には、複数の導波路２が接続されている。光ビームスプリッター２１は、入力された光を、各導波路２に分配する。
【００２７】
導波路２上には、上流側から順に、位相変調部３１と、振幅変調部３２とが設けられている。
位相変調部３１自体は、従来の技術を用いて構成される。位相変調部３１は、電気光学材料３１３と、その電気光学材料に電圧を印加するための電極３１１および３１２とを有する。電極の対の一方（電極３１１）には位相変調電圧３３が接続され、その対の他方（電極３１２）はグランドに接続される。つまり、この電気光学材料３１３には、位相変調電圧３３が印加される。位相変調電圧３３の印加により、導波路２ごとに、光の位相が変調される。
また、振幅変調部３２自体は、従来の技術を用いて構成される。振幅変調部３２は、例えば、マッハ・ツェンダー変調器を用いて実現される。振幅変調部３２は、電気光学材料３０３と、その電気光学材料に電圧を印加するための電極３０１および３０２とを有する。電極の対の一方（電極３０１）には振幅変調電圧３４が接続され、その対の他方（電極３０２）はグランドに接続される。つまり、この電気光学材料３０３には、振幅変調電圧３４が印加される。また、振幅変調部３２は、偏光子３００Ａおよび３００Ｂを有する。偏光子３００Ａの偏光面と偏光子３００Ｂの偏光面とは交差する。偏光子３００Ａは電気光学材料３０３への入力側に設けられ、偏光子３００Ｂは電気光学材料３０３からの出力側に設けられている。振幅変調電圧３４の印加により、各導波路２ごとに、光の振幅が変調される。
【００２８】
図示するように、各導波路には、１，２，・・・，Ｎｍａｘという番号が付与されている。Ｎｍａｘ本の導波路２の出力端を平面視したとき、即ち、図３の左側から見たとき、これらの出力端は、ピッチｐで縦に配置されている。
【００２９】
図４は、振幅変調部３２のより詳細な構成を示す斜視図である。図示するように、振幅変調部３２は、内部に位相変調部３１を含んで構成される。振幅変調部３２への入力光は、分波器等によって分波され、２本の導波路に導かれる。これら２本のうちの一方の導波路にのみ、位相変調部３１を設けることにより２本の導波路間で光の位相の差が生じる。これら２本の導波路を通った光は合波器等によって干渉合成される。２本の導波路を通った光の間で位相差が０のときに出力される光の振幅は最大値となる。また、２本の導波路を通った光の間で位相差がπ［ｒａｄ．］のときに出力される光の振幅は最小値となる。つまり、振幅変調部３２内の位相変調部３１において印加電圧を変えて位相を制御することにより、振幅変調部３２に入力された光は振幅変調され、出力される。
【００３０】
図５は、位相変調部３１のより詳細な構成を示す斜視図である。図示するように、位相変調部３１は、電極３１１および３１２と、光導波路コア（電気光学材料）３１６と、光導波路クラッド３１７とを有する。電極３１１および３１２については、図３を参照しながら説明した通りである。なお、電極３１１を上部電極と呼び、電極３１２を下部電極と呼んでもよい。光導波路コア３１６と光導波路３１７とは、互いに異なる屈折率を持つものであり、入力光は光導波路コア３１６内を進行する。そして、電極３１１と３１２との間に生じる電界により、光導波路コア３１６内を進行する光の位相変調が行われる。
【００３１】
図６は、導波路２の出力端の配置を示す概略図である。図示するように、Ｎｍａｘ本の出力端は、ｘｙｚ空間におけるｙｚ平面上（または、ｙｚ平面に平行な平面の上）に、Ｎｍａｘ行１列のアレイ状に配置されている。図３にも示した通り、導波路２の出力端は、ピッチｐで配置されている。
【００３２】
図３に戻り、各導波路２における変調部３の作用により、これらの導波路２から出力される光は相互に干渉し、所定の偏向角（図６におけるｚ軸方向の偏向）で出力される。また、各導波路２における変調部３の作用により、これらの導波路２から出力される光は、所定のビーム幅で出力される。
【００３３】
図７は、変調部３による作用を説明するための概略図である。図示するように、光制御素子１０は、入力光導波路５１と、電極信号線５２と、位相変調部３１と、振幅変調部３２とを含む。
各々の導波路２上には、図５の位相変調部３１と図４の振幅変調部３２（２本の導波路に分波している）が設けられている。図７に示す素子における位相変調部３１と振幅変調部３２との詳細な構成は、次に説明する通りである。
電極信号線５２は、図７に示す素子の表／裏のどちら側に設けてもよい。それぞれの場合における詳細な構成は、下記の通りである。
電極信号線５２が基板側（図７における裏側，下側）に形成された場合には、電極信号線５２は、位相変調部３１の下部電極３１２と振幅変調部３２の下部電極３０２との両方に接続されている。この場合、位相変調部３１の上部電極３１１と振幅変調部３２の上部電極３０１とは、それぞれ、位相変調部３１の下部電極３１２と振幅変調部３２の下部電極３０２に対向するように、素子の表面側に一様な電極膜として形成され、且つアースに接続される。
一方、各電極信号線５２が素子表面側（図７における表側，上側）に形成された場合には、電極信号線５２は、位相変調部３１の上部電極３１１と振幅変調部３２の上部電極３０１とに接続されている。この場合、位相変調部３１の下部電極３１２と振幅変調部３２の下部電極３０２とは、それぞれ、位相変調部３１の上部電極３１１と振幅変調部３２の上部電極３０１とに対向するように、基板上に一様な電極膜として形成され、且つアースに接続される。
図７においては、ここに説明した詳細な構成を省略して導波路２を図示している。
なお、先に説明した図３では、位相変調部３１の上部電極３１１と振幅変調部３２の上部電極３０１とが電極信号線に接続され、位相変調部３１の下部電極３１２と振幅変調部３２の下部電極３０２とがアースに接続される場合を示している。
【００３４】
入力光導波路５１は、外部からの入力光を取り入れる。入力光の波長は、λｉ（ただし、ｉ＝１，２，３）であり、所定のタイミングにより波長は切り替えられる。
光ビームスプリッター２１は、入力光導波路５１から取得された光を、複数（Ｎ本）の導波路２に分岐する。
電極信号線５２は、位相変調部３１と振幅変調部３２に電圧を印加するための電極に接続された信号線である。
位相変調部３１は、印加される電圧（または電流）によって、各導波路２の光の位相をシフトさせる。各導波路２の位相を適切に制御することにより、導波路２の出力端から出力される光は相互に干渉して光ビームを形成する。例えば、隣接する導波路２間の位相差をΔφに固定する。このとき、位相差Δφと、出力される光の偏向角θ（図示する０度の方向からの変位）との関係は、下の式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
2019184943.tif 000003
【００３６】
式（１）において、λｉは光の波長である。また、ｐは配置されている導波路２の出力端のピッチである。即ち、ｐは、フェーズドアレイの光アンテナの配置ピッチである。
【００３７】
図８は、時分割発光部の構成例を示す概略図である。時分割発光部６０は、複数の異なる波長の光を時分割で発する。時分割発光部６０は、半導体レーザー６１−１，６１−２，６１−３と、遮光スイッチ６２−１，６２−２，６２−３と、ミラー６３−１，６３−２，６３−３とを有する。
半導体レーザー６１−１，６１−２，６１−３は、それぞれ、波長λ１，λ２，λ３の光を発光する。光源として、レーザーの代わりにＬＥＤ（発光ダイオード）等を用いても良い。光源としては、コヒーレンスの高いものを使用することが望ましい。
遮光スイッチ６２−１，６２−２，６２−３は、制御信号に基づき、それぞれ、半導体レーザー６１−１，６１−２，６１−３からの光を透過させるか遮光するかを切り替える。制御信号により、一時点で、遮光スイッチ６２−１，６２−２，６２−３のいずれか１つのみが光を透過させる。
ミラー６３−１，６３−２，６３−３は、それぞれ、図の上方からの光を左方に反射するとともに、図の右方からの光を透過する。
以上の構成により、時分割発光部６０は、時分割で、異なる波長の光を発する。時分割発光部６０から発せられる光は、光ビームスプリッター２１（図７等）に入力される。
なお、本例では、時分割発光部６０が３種類の波長の光を発する構成としたが、波長の種類の数は、２種類あるいは４種類以上でもよい。
【００３８】
以上、図１から図８までを用いて説明したように、光制御素子１０は、複数の異なった波長を持つ入力光ビーム（例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色）のそれぞれを、時分割により、所定の広がり（ビーム幅）と偏向角をもった出力光ビームとして出力する。光の波長や偏向角は、適宜所定期間ごとに切り替えることが可能である。即ち、このような光制御素子１０を多数配置することにより、インテグラル方式によるカラー立体画像を表示することができる。
【００３９】
ある入力波長λｍｉｎに対し、ビーム幅Ｗｂｅａｍと最大偏向角±θｍａｘとが得られるフェーズドアレイの光アンテナのエレメント数をＮｍｉｎとし、（光）アンテナのピッチをＰｍｉｎとする。このフェーズドアレイに、上記の波長λｍｉｎよりも長い入力波長λを持った光ビームを時分割で入力する。その入力波長λの最大値をλｍａｘとする。フェーズドアレイの光アンテナのピッチをＰｍｉｎのままに固定するとともに、光アンテナの最大エレメント数Ｎｍａｘを、下の式（２）または式（３）で表される値とする。ただし、ＮｍａｘとＮｍｉｎとの間で偶奇性が一致するように、式（２）または式（３）のいずれかを選択することによりＮｍａｘを求める。
【００４０】
【数２】
2019184943.tif 000004
【００４１】
【数３】
2019184943.tif 000005
【００４２】
ただし、式（２）および式（３）において、ｒｏｕｎｄ（）は、小数点以下を四捨五入して整数化する関数である。
上記の式（２）あるいは式（３）で算出されるＮｍａｘは、最大波長がλｍａｘであることを前提として、所望のビーム幅を得るために必要とされる光アンテナのエレメント数の最大値である。つまり、光制御素子１０が、このＮｍａｘ個の導波路２を持つように構成すればよい。
【００４３】
このフェーズドアレイにおいて、時分割で、波長λの光ビームが入力された場合、下の式（４）または式（５）により、Ｎの値を求める。ただし、ＮとＮｍｉｎとの間で偶奇性が一致するように、式（４）または式（５）のいずれかを選択することによりＮを求める。
【００４４】
【数４】
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【００４５】
【数５】
2019184943.tif 000007
【００４６】
上の式（２），式（３），式（４），式（５）で求まるＮｍａｘおよびＮに基づき、次のように変調部３による変調を調整する。即ち、最大エレメント数であるＮｍａｘ本の光アンテナが１列に配置されているところ、その両端からそれぞれ（（Ｎｍａｘ−Ｎ）／２）本の光アンテナの出力が０になるように強度変調する。
つまり、振幅変調部３２は、所定の出力光ビーム幅を得るために出力強度を非零とする導波路２の個数が、基準となる光の波長である基準波長の場合の基準個数に、その基準波長に対する導波路に入力される光の波長の比（λ／λｍｉｎ）を乗じた値に基づくものになるように光を振幅制御する。
【００４７】
また、出力光ビームの所望の偏向角が得られるように変調する。また、隣接する光アンテナ間の位相差が下の式（６）で表す値になるように、位相変調する。
【００４８】
【数６】
2019184943.tif 000008
【００４９】
つまり、位相変調部３１は、所定の偏向角を得るため、導波路間の位相差が、導波路に入力される光の波長に反比例するように光を位相変調する。
これにより、入力光の波長λの値に関わらず、出力光ビームの幅および最大偏向角を、それぞれ、前記のＷｂｅａｍおよび±θｍａｘと同じ値にすることができる。
【００５０】
次に、本実施形態による光制御素子を特定の用途に使用する場合の、より具体的な構成例について説明する。例として、光制御素子を、インテグラル方式の立体表示装置に使用する場合を説明する。
【００５１】
光入力部１は、ＲＧＢの各色の光を時分割で導波路２に入力する。そのため、光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの色用に、波長６４０ｎｍ、５２０ｎｍ、４６０ｎｍの半導体レーザー光を用いる。
インテグラル方式の立体表示装置に使用する素子として、視域が約３０度以上あることが望ましい。また、空間内の１点を通る光線が2本以上同時に立体映像の観察者の瞳に入射すれば、その眼は当該点に対して焦点を合わせることができるため、より自然な立体表示ができる。このことは、参考文献［Y. Takaki：“Density Directional Display for Generating Natural Three-Dimensional Images” ，Proc. IEEE，Vol.94，pp.654-663（2006）］に報告されている。例えば、約１〜２メートルの観察距離（視域約３０度）でこれを実現しようとすると、光線の角度ピッチを約０．５度以下とすることが必要である。よって、例えば、最大偏向角３０度（つまり、中央から±１５度）、偏向角ビーム幅（電力半値幅）を０．５度とする。
【００５２】
図９は、最短波長である波長４６０ｎｍ（λｍｉｎ）の光が入力される場合の光の強度を示すグラフである。同図のグラフにおいて、横軸は偏向角に対応し、縦軸は光の相対強度に対応する。図示するように、最短波長４６０ｎｍに対して、ビーム幅Ｗｂｅａｍ＝０．５度、最大偏向角θｍａｘ＝１５度が得られるフェーズドアレイの光アンテナのエレメント数は、Ｎｍｉｎ＝５８である。また、アレイ状に配置される光アンテナのピッチは、Ｐｍｉｎ＝４６０ｎｍ×１．８＝８２８ｎｍである。隣接する導波路２間での光の位相差がπ［ｒａｄ，ラジアン］以上になると、図示するように、メインローブとグレーティングローブが同時に視域角度に入ってしまう。
【００５３】
また、最長波長である波長６４０ｎｍ（λｍａｘ）の光が入力される場合、光アンテナのピッチをＰｍｉｎ＝４６０ｎｍ×１．８＝８２８ｎｍに維持すると、光アンテナのエレメント数Ｎｍａｘは、前述の式（２）または式（３）による。つまり、エレメント数Ｎｍａｘの偶奇性をＮｍｉｎに合わせると、式（３）を用いて、Ｎｍａｘ＝８２である。つまり、光制御素子１０における導波路２の数を８２本とする。
【００５４】
また、波長λ＝５２０ｎｍの光が入力される場合、光アンテナのピッチをＰｍｉｎ＝４６０ｎｍ×１．８＝８２８ｎｍに維持すると、使用される光アンテナのエレメント数Ｎは、前述の式（４）または式（５）による。つまり、エレメント数Ｎｍａｘの偶奇性をＮｍｉｎに合わせると、式（４）を用いて、Ｎ＝６６である。
【００５５】
入力される波長に依らず、光ビームの偏向角とビーム幅とが一致するようにするためには、変調部３が、下記（図１０および図１１で説明）のような変調を行うように制御すればよい。
【００５６】
図１０は、入力光の波長ごとの、隣接導波路間の位相差と最大偏向角との関係を示すグラフである。同図（Ａ）は、隣接導波路間の位相差について、光の波長に応じた調整を行わない場合のグラフである。同図（Ｂ）は、隣接導波路間の位相差について、光の波長に応じた調整を行う場合のグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は、隣接する導波路間の位相差である。また、縦軸は、最大偏向角である。これらのグラフの前提として、導波路の本数はＮｍａｘ＝８２であり、配置のピッチはＰｍｉｎ＝４６０ｎｍ×１．８＝８２８ｎｍである。
【００５７】
図１０（Ａ）に示す通り、Ｒ（λ＝λｍａｘ＝６４０ｎｍ）の光と、Ｇ（λ＝５２０ｎｍ）の光と、Ｂ（λ＝λｍｉｎ＝４６０ｎｍ）の光とがそのまま導波路２を通る場合には、
即ち隣接導波路間の位相差がΔφλｍｉｎの場合には、最大偏向角はずれる。
図１０（Ｂ）に示す通り、隣接導波路間の位相差を入力光の波長λに応じて変える場合、即ち、隣接導波路間の位相差を（Δφλｍｉｎ×（λｍｉｎ／λ））とする場合、各波長の光の最大偏向角は一致する。
図１０（Ｂ）のように、最大偏向角が一致する結果を得るためには、時分割で入力される光の波長に応じて、位相変調部３１が、隣接導波路間の位相差を調節するようにする。
【００５８】
図１１は、入力光の波長ごとの、光ビームの広がり（幅）を示すグラフである。同図（Ａ）は、導波路数Ｎについて、光の波長に応じた調整を行わない場合のグラフである。同図（Ｂ）は、導波路数Ｎについて、光の波長に応じた調整を行う場合のグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は、光ビームの中心からの変位角（正負の両方向）である。また、縦軸は、光の相対強度である。これらのグラフの前提として、導波路の最大本数はＮｍａｘ＝８２であり、配置のピッチはＰｍｉｎ＝４６０ｎｍ×１．８＝８２８ｎｍである。
【００５９】
図１１（Ａ）に示す場合には、導波路数Ｎ（光アンテナのエレメント数）を、最小の５８本としている。このとき、入力される光の波長に応じて、ビームの広がり方が異なる。つまり、Ｒ（λ＝λｍａｘ＝６４０ｎｍ）の光が入力される場合にビームの広がり（幅）が最も大きく、Ｂ（λ＝λｍｉｎ＝４６０ｎｍ）の光が入力される場合にビームの広がり（幅）が最も小さい。Ｇ（λ＝５２０ｎｍ）の光が入力される場合には、ビームの広がり（幅）は、それら２つの中間領域に属する。つまり、図１１（Ａ）の場合には、異なる波長の光で、ビームの幅は揃わない。
図１１（Ｂ）に示す場合には、導波路数Ｎを、入力される光の波長に応じて変えるようにする。即ち、式（４）または式（５）を用いて、導波路数Ｎを変えるようにする。ここで、λｍｉｎ＝４６０ｎｍであり、Ｎｍｉｎ＝５８である。この場合、入力される光の波長に依らず、出力される光ビームの幅を揃えることができる。
図１１（Ｂ）のように、ビームの広がりを一致させる（０．５度とする）ためには、時分割で入力される光の波長に応じて、振幅変調部３２が、隣接導波路における光の振幅を調節する。つまり、振幅変調部３２は、光アンテナの最大エレメント数である８２本（Ｎｍａｘ）のエレメントのうち、それらの両端からそれぞれ（（Ｎｍａｘ−Ｎ）／２）本の光アンテナの出力強度が０になるよう、振幅変調する。ただし、ここでＮは、入力される光の波長に応じて上述の通り算出される整数である。なお、ＮｍａｘとＮの偶奇性が一致するようにしているため、（（Ｎｍａｘ−Ｎ）／２）は整数値である。
【００６０】
なお、図１０および図１１の説明において、光の波長や、光アンテナのピッチや、ビーム幅や、偏向角として用いた値は一例であるが、これらに異なる値を用いる場合にも、同様に計算が成り立つ。
【００６１】
光制御素子１０は、光入力部１と変調部３とを制御する制御部（不図示）を有する。制御部は、光入力部１が導波路２に入力する光の波長を所定期間ごとに切り替える制御を行う。また、制御部は、位相変調部３１による位相変調のしかたと、振幅変調部３２による振幅変調のしかたを制御する。具体的には、各導波路における変調部３における位相変調部３１および振幅変調部３２のそれぞれに印加する電圧を制御する。
【００６２】
上記の制御部は、期間ごとに、所定の波長の光のみを光入力部１が導波路２に供給するよう制御する。
また、制御部は、光アンテナアレイ８から出力される光ビームの偏向角が所望の角度となるよう、各導波路における位相を制御する。制御部は、図１０（Ｂ）に示したように、導波路２に入力される光の波長に応じて導波路間の位相差を調整することにより、光の波長に依らず出力光の偏向角が所望の角度になるよう制御する。具体的には、入力される光の波長がλであるとき、制御部は、隣接導波路間の位相差が前記の式（６）を満たすように、位相変調部３１を制御する。
また、制御部が、上記の出力光の偏向角を順次変更していくようにしてもよい。
また、制御部は、光アンテナアレイ８から出力される光ビームの広がりが所望の幅となるよう、各導波路における光の振幅を制御する。制御部は、図１１（Ｂ）に示したように、導波路２に入力される光の波長に応じて導波路上の光の振幅を調整することにより、光の波長に依らず出力光の広がりが所望の幅になるよう制御する。具体的には、入力される光の波長がλであるとき、制御部は、前述の式（４）や式（５）に基づいてＮの値を求める。そして、求められたＮの値の本数の光アンテナエレメント以外から出力される光の強度が０（あるいは、ほぼ０）になるよう、振幅変調部３２を制御する。
【００６３】
本実施形態の光制御素子によれば、入力される光の波長が異なっても、偏向角と広がりを一致させた光ビームを出力することが可能となる。一例として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の光を時分割で入力したとき、色（つまり、波長）に依らず、偏向角と広がりを一致させた（あるいは、ほぼ一致させた）光ビームを出力することが可能となる。例えば、この光制御素子を用いてインテグラル方式の立体表示装置を構成する場合、映像の高精細化を実現することができるとともに、色モアレの問題を解決できる。
【００６４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、前実施形態において既に説明した事項については以下において説明を省略する場合がある。ここでは、本実施形態に特有の事項を中心に説明する。
本実施形態における特徴は、変調部の構成である。つまり、第１実施形態においては、変調部３が位相変調部３１と振幅変調部３２とを有していた（図２を参照）。これに対して、本実施形態における変調部の構成は異なる。
【００６５】
図１２は、本実施形態における変調部の構成を示すブロック図である。図示するように、本実施形態において、変調部４は、位相変調部３１を備える。また、変調部４は、振幅変調部を持たない。つまり、本実施形態における光制御素子は、導波路における位相変調を行って出力する光ビームの偏向角を制御するため、入力される光の波長に依らず、所望の方向に偏向角を揃えることができる。ただし、本実施形態における光制御素子では、入力される光の波長に応じて出力する光ビームの幅が異なる。
【００６６】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、前実施形態までにおいて既に説明した事項については以下において説明を省略する場合がある。ここでは、本実施形態に特有の事項を中心に説明する。
本実施形態における特徴は、変調部の構成である。つまり、第１実施形態においては、変調部３が位相変調部３１と振幅変調部３２とを有していた（図２を参照）。これに対して、本実施形態における変調部の構成は異なる。
【００６７】
図１３は、本実施形態における変調部の構成を示すブロック図である。図示するように、本実施形態において、変調部５は、振幅変調部３２を備える。また、変調部５は、位相変調部を持たない。つまり、本実施形態における光制御素子は、導波路における波長変調を行って出力する光ビームの幅を制御する。これにより、光制御素子は、入力される光の波長に依らず、出力する光ビームの広がりを所望の幅に揃えることができる。ただし、本実施形態における光制御素子では、入力される光の波長に応じて出力する光ビームの偏向角が異なる。
【００６８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、前実施形態までにおいて既に説明した事項については以下において説明を省略する場合がある。ここでは、本実施形態に特有の事項を中心に説明する。
第１実施形態から第３実施形態までにおいては、図６に示したように、光アンテナ（導波路２の出力端）は１次元のアレイ（１列）として配置されていた。本実施形態では、光アンテナは、２次元のアレイとして配置される。
【００６９】
図１４は、本実施形態による光アンテナの配列を示す概略図である。同図に示す光アンテナの各々は、図１に示した導波路２と同様の、変調部を備えた導波路の出力端側である。図１４は、光の出力端側から見た配列である。図示する例では、ｘｙｚ空間内のｙｚ平面上に（あるいは、ｙｚ平面と平行な平面上に）、４行４列の、計１６個の光アンテナが配置されている。なお、配置の行数および列数は、４行４列以外でもよい。また、行数と列数が同一でなくてもよい。また、配置されている光アンテナの、ｙ軸方向のピッチはｐｙであり、ｚ軸方向のピッチはｐｚである。なお、ｐｙ＝ｐｚであってもよく、ｐｙ≠ｐｚであってもよい。
【００７０】
本実施形態において、導波路２に設けられる変調部は、第１実施形態における変調部３と同様のものであってもよく、第２実施形態における変調部４と同様のものであってもよく、第３実施形態における変調部５と同様のものであってもよい。
本実施形態において、変調部が位相変調部３１を備える場合、制御部（不図示）は、出力光ビームの偏向角を制御する。この場合、制御部は、ｙ軸方向およびｚ軸方向の偏向角をそれぞれ制御する。また、制御部は、第１実施形態において説明したように、導波路２に入力される光の波長に応じて、所望の偏向角が得られるように、ｙ軸方向およびｚ軸方向のそれぞれの、隣接導波路間の位相差を制御する。
本実施形態において、変調部が振幅変調部３２を備える場合、制御部は、出力光ビームの広がりを制御する。この場合、制御部は、ｙ軸方向およびｚ軸方向の広がり（幅）をそれぞれ制御する。また、制御部は、第１実施形態において説明したように、導波路２に入力される光の波長に応じて、所望のビーム幅が得られるように、ｙ軸方向およびｚ軸方向のそれぞれについて、各導波路の光の振幅を制御する。
なお、制御部は、ｙ軸方向およびｚ軸方向それぞれについて、偏向角の制御やビーム幅の制御を行う。本実施形態においては、光アンテナは２次元状に配置されているため、各軸方向の制御を重畳した作用が結果として得られる。
【００７１】
以上説明したように、少なくとも１つの実施形態によれば、出力する光ビームの偏向角や幅が、光の波長に依らず一定になるようにすることができる。
導波路のアレイが、Ｎ行１列または１行Ｎ列に配置される場合（ただし、Ｎは２以上の整数）、言い換えれば１次元のアレイの場合、光制御素子は、その方向に、出力光の偏向角を持たせたり、出力光の幅を制御したりすることができる。
導波路のアレイが、Ｍ行Ｎ列（ただし、ＭおよびＮはそれぞれ２以上の整数）に配置される場合、言い換えれば２次元のアレイの場合、光制御素子は、行方向および列方向のそれぞれの方向に、出力光の偏向角を持たせたり、出力光の幅を制御したりすることができる。
【００７２】
なお、上述した各実施形態における制御部の機能をコンピューターで実現するようにしても良い。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピューター読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピューターシステムに読み込ませ、実行することによって実現しても良い。なお、ここでいう「コンピューターシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリー等の可搬媒体、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、一時的に、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバーやクライアントとなるコンピューターシステム内部の揮発性メモリーのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでも良い。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピューターシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【００７３】
以上、複数の実施形態を説明したが、本発明はさらに次のような変形例でも実施することが可能である。
変形例の一例として網膜に映像を投影できる超小型プロジェクタ用の光制御素子への適用が挙げられる。レーザー網膜走査の超小型プロジェクタは、網膜に直接映像を投影することにより、装着者の視力やピントの位置の影響を受けにくいことを特長としているが、ＭＥＭＳを使っているため応答速度や消費電力に課題がある。本発明による光制御素子を超小型プロジェクタに適用した場合には、応答速度が速く省電力化が可能であり、しかも網膜に対して１つの光制御素子で複数色（ＲＧＢ等）のカラー走査を実現できる。
【００７４】
以上、この発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、複数の波長の光ビームの偏向角やビーム幅を制御するための装置等に利用することができる。一例として、本発明を、インテグラル方式の立体表示装置に利用することができる。但し、本発明の利用範囲はここに例示したものには限られない。
【符号の説明】
【００７６】
１  光入力部
２  導波路
３，４，５  変調部
８  光アンテナアレイ
１０  光制御素子
２１  光ビームスプリッター
３１  位相変調部
３２  振幅変調部
３３  位相変調電圧
３４  振幅変調電圧
５１  入力光導波路
５２  電極信号線
６０  時分割発光部
６１−１，６１−２，６１−３  半導体レーザー
６２−１，６２−２，６２−３  遮光スイッチ
６３−１，６３−２，６３−３  ミラー
３００Ａ，３００Ｂ  偏光子
３０１，３０２  電極
３０３  電気光学材料
３１１，３１２  電極
３１３  電気光学材料
３１６  光導波路コア（電気光学材料）
３１７  光導波路クラッド
【図１】
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【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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