(57)【要約】【課題】小型・軽量化に適した単純な構造にできる高品位で高偏向角化を可能とすること。【解決手段】平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極を有する第１の透明基板、透明導電体からなる共通電極を有する第２の透明基板、第１および第２の透明基板の間に挟持された液晶層と、並べて配置された液晶光位相変調素子１０１Ａ、１０１Ｂと、液晶光位相変調素子１０１Ａから出射された光を液晶光位相変調素子１０１Ｂに入射し、出射された光を入射する入射面と、入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有するウェッジ型プリズム１２１とを備え、液晶光位相変調素子１０１Ａの個別電極の方向と、液晶光位相変調素子１０１Ｂの個別電極の方向が略直交となり、かつ、液晶光位相変調素子１０１Ａの液晶層の配向方向と、液晶光位相変調素子１０１Ｂの液晶層の配向方向とが略同一となるように配置する。【選択図】図１４
2008134652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶を用いて、入射された光を偏向して出射する液晶光位相変調素子と、
前記液晶光位相変調素子を駆動する駆動手段と、
前記液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有するウェッジ型プリズムと、
を備え、
前記液晶光位相変調素子は、
平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極を有する第１の透明基板と、
前記透明導電体からなる共通電極を有する第２の透明基板と、
前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の間に挟持された液晶層と、
を備え、
前記駆動手段は、前記液晶層に屈折率の変調を生じさせるように、前記個別電極に所定の電圧を印加し、
前記液晶光位相変調素子を少なくとも２つ並べて配置し、
前段の液晶光位相変調素子から出射された光を後段の液晶光位相変調素子に入射し、
前記ウェッジ型プリズムは、前記後段の液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記後段の液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有し、
前記前段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向が略直交となり、かつ、前記前段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向とが略同一となるように配置することを特徴とする光偏向装置。
【請求項２】
所定数ごとの前記個別電極によって構成される各個別電極群に対応し、当該個別電極群の各個別電極に共通に接続された集電極と、
前記集電極の両端に接続された一対の信号電極と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向装置に関し、さらに詳しくは、レーザ光の光を偏向させる光偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日レーザ光の光偏向の技術は、様々な分野で応用されている。たとえば自由空間光通信用の光行差補正・レーザレーダ用の走査系などが例として挙げられる。
【０００３】
従来、レーザ光の光偏向器やポインティング用光学系として、ジンバルミラー（gimballed mirror）が多く用いられている。このジンバルミラーを用いる方法は、ミラーを機械的に動かしてレーザ光の光方向制御をおこなうため、直接的でかつ簡単な方法である。
【０００４】
また、液晶層をプリズム形状にした液晶プリズムに関する先行技術が存在する（たとえば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１９４６９５号公報
【特許文献２】特開平７−９２５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の方法にあっては、比較的大きなミラーを大きな物理的動作を伴って制御する必要があることから、軽量・小型化が必要なシステムや、低消費電力を必要とする用途には適していないという問題点があった。
【０００７】
また、液晶層をプリズム形状にした液晶プリズムにあっては、製造工程が複雑になるだけでなく、その制御が難しいといった問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記課題（問題点）を解決するためになされたものであり、小型・軽量化に適した単純な構造にできる高品位で高偏向角化が可能な光偏向装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明にかかる光偏向装置は、液晶を用いて、入射された光を偏向して出射する液晶光位相変調素子と、前記液晶光位相変調素子を駆動する駆動手段と、前記液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有するウェッジ型プリズムと、を備え、前記液晶光位相変調素子は、平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極を有する第１の透明基板と、前記透明導電体からなる共通電極を有する第２の透明基板と、前記第１の透明基板および前記第２の透明基板の間に挟持された液晶層と、を備え、前記駆動手段は、前記液晶層に屈折率の変調を生じさせるように、前記個別電極に所定の電圧を印加し、前記液晶光位相変調素子を少なくとも２つ並べて配置し、前段の液晶光位相変調素子から出射された光を後段の液晶光位相変調素子に入射し、前記ウェッジ型プリズムは、前記後段の液晶光位相変調素子の出射側に配置され、前記後段の液晶光位相変調素子から出射された光を入射する入射面と、当該入射面から入射された光が出射される出射面とが所定の角度を有し、前記前段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の個別電極の方向が略直交となり、かつ、前記前段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向と、前記後段の液晶光位相変調素子の液晶層の配向方向とが略同一となるように配置することを特徴とする。
【００１０】
また、この発明にかかる光偏向装置は、上記の発明において、所定数ごとの前記個別電極によって構成される各個別電極群に対応し、当該個別電極群の各個別電極に共通に接続された集電極と、前記集電極の両端に接続された一対の信号電極と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この本発明によれば、小型・軽量化に適した単純な構造にできる高品位で高偏向角化が可能な光偏向装置が得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光偏向装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
１−１．光偏向装置の構成
まず、本発明の実施の形態にかかる光偏向装置の構成を、図１〜図３を用いて説明する。図１および図２は、本発明の実施の形態における光偏向装置１００の構成を示す模式断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本発明の光偏向装置１００は、液晶光位相変調素子１０１と、所定の傾斜角γ傾いた出射面１６１を持つくさび状のウェッジ型プリズム１２１とによって構成している。さらに、液晶光位相変調素子１０１には駆動装置１４１が接続されている。
【００１５】
ここで、ウェッジ型プリズム１２１の出射面１６１は空気層と接触する。そのため、空気と基板界面での反射を防止するように必要に応じて無反射コートを形成する。無反射コートは、たとえば五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）と二酸化シリコン（ＳｉＯ2）の誘電体多層膜からなるコーティングを用いる。
【００１６】
１−２．液晶光位相変調素子およびウェッジ型プリズムの配置
このウェッジ型プリズム１２１は、図１に示すように、液晶光位相変調素子１０１の出射側に当接させて配置する。液晶光位相変調素子１０１とウェッジ型プリズム１２１とを接着剤などを用いて固定する。また、図２に示すように、液晶光位相変調素子１０１から出射される光の偏向角から外れない程度に間隔１０２を空けて配置しても本発明と同じ効果を得ることができる。間隔１０２を開けることによって、光の種類によっては、通過する光によって発せられる熱が、液晶光位相変調素子１０１とウェッジ型プリズム１２１とを固定した接着剤などを溶かすといった問題を回避することができる。また、この場合のウェッジ型プリズム１２１の出射面１６１または入射面１０３は空気層と接触するため、上記構成と同様に必要に応じて無反射コートを形成するとよい。
【００１７】
２−１．ウェッジ型プリズムの原理
図３は、本発明の実施の形態における光偏向装置の原理を示す説明図である。図３に示すように、液晶光位相変調素子１０１は、入射光１５１を所定の角度±θだけ偏向する作用をおこなう。両矢印で示したＰ偏光１７１は、図３に示した断面図に対して平行な偏光の方向を模式的に示している。図３ではウェッジ型プリズム１２１の出射面１６１に対するＰ偏光１７１を入射光１５１の偏光状態として示している。なお、Ｓ偏光を入射光１５１として使うようにしてもよい。これは、液晶光位相変調素子１０１の一部構成を変えることで対応可能である。Ｓ偏光を入射光１５１として使うことについての詳細は後述する。
【００１８】
図３において、θを反時計方向に大きくする場合をプラス方向として、θの可変範囲の最大値をθｍａｘとすると、γ＞θｍａｘとなるように傾斜角γを決める。すなわち、傾斜角γを、γ＞θｍａｘを満たす所定の値に選択することで、液晶光位相変調素子１０１の偏向角θｍａｘが小さくても、ウェッジ型プリズム１２１によって偏向角θｍａｘを拡大することが可能となる。
【００１９】
図３において、液晶光位相変調素子１０１が＋θだけ入射光１５１を偏向した場合、第１の出射光１５３は、スネルの法則にしたがって、式（１）のような角度β1として出射する。
【００２０】
ｎg・ｓｉｎα1＝ｎ0・ｓｉｎβ1
ここで、ｎgは、ウェッジ型プリズム１２１の屈折率であり、ｎ0は空気の屈折率である。
【００２１】
また、液晶光位相変調素子１０１が入射光１５１を偏向しない場合、第２の出射光１５５は、角度β2としてスネルの法則にしたがって出射する。この場合、傾斜角γの定義から傾斜角γと角度α2は等しい値となる。液晶光位相変調素子１０１が入射光１５１を−θ偏向した場合、第３の出射光１５７は、角度β3としてスネルの法則にしたがい出射する。ここで、出射面１６１における、入射角である角度αと液晶光位相変調素子１０１の偏向角θとの関係をまとめると以下の（１）〜（３）のようになる。
【００２２】
θ＝＋θのとき、α＝γ−θ      （１）
θ＝０のとき、  α＝γ          （２）
θ＝−θのとき、α＝γ＋θ      （３）
【００２３】
屈折角である角度βがπ／２以上のときは、全反射条件となり、出射光が無くなる。ここで、一例としてウェッジ型プリズム１２１の材料としてＢＫ７を用いると、屈折率ｎgは約１．５０７となるので式（４）を用いて計算すると臨界角αcは、
ｓｉｎαc＝ｎ0／ｎg・ｓｉｎ（π／２）
＝１／１．５０７                        （４）
から、αcは約０．７２６ラジアン（４１．５７度）となる。
【００２４】
臨界角αcを考慮すると、α3はαcより小さく設定した方が入射光１５１を有効に活用できるため、
θｍａｘ＜γ＜αc−θｍａｘ            （５）
を満たすように傾斜角γを選ぶ必要がある。
【００２５】
２−２．入射角度と出射角度との関係
つぎに、ウェッジ型プリズム１２１の出射面１６１への入射角度αと、その出射面１６１からの出射角度βとの関係を示すグラフを図４を用いて説明する。図４に示すように、角度αが臨界角αc近傍で角度βの変化率が急速に大きくなることがわかる。このことをさらに詳しく説明するために、角度αと角度増加率ｄβ／ｄαとの関係を示すグラフを図５に示す。角度増加率ｄβ／ｄαは角度αに対する角度βの微分として定義した。図５から角度増加率ｄβ／ｄαは、臨界角αc近傍で急速に大きくなることが確認できる。したがって、図３の構成においてウェッジ型プリズム１２１の傾斜角γは、臨界角αcより小さいが臨界角に近い領域に設定した方が偏向角θｍａｘが小さい場合には有効である。
【００２６】
ここで、偏向角θが０の場合の角度αを動作点角度αaと定義すると、前述の通り、
αa＝γ                （６）
となるので、動作点角度αaを傾斜角γで決めることができる。
【００２７】
ここで、液晶光位相変調素子１０１の最大偏向角θｍａｘを１．５度とし、さらに、図４に示すように動作点角度αaを４０［度］とすると、図４のグラフから入力角度範囲（入射角度範囲）３０１よりも出力角度範囲（出射角度範囲）３０３が大きくなることがわかる。図４に示した入力角度範囲３０１と出力角度範囲３０３の要部を変数変換して再プロットしたグラフを図６に示す。
【００２８】
ここで、角度αの原点を置き換えて変数を入力角φとおき、そのとき（φ＝０）での角度βを原点とみなして、変数を出力角Φとする。図６より、入力角φの入力角度範囲３［度］に対して出力角Φの出力角度範囲は約１７［度］となり、約３倍に角度可変範囲を広げられることがわかる。
【００２９】
３−１．液晶光位相変調素子の構造
つぎに、液晶光位相変調素子１０１の構造を図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の構造を示す断面図である。図７において、液晶層の一例として示すネマティック液晶層５０１は、液晶光位相変調素子１０１の第１の透明基板２０１の複合電極２１１の上と第２の透明基板２０３の共通電極２１３の上とに形成した配向層２１７によって電場無印加時のｐ型（ポジ型）液晶分子のダイレクタ２０７のティルト角２０９が５度以下となるようにホモジニアス配向させる。図７で示す液晶光位相変調素子１０１の場合、入射直線偏光５１１は、図７に示した断面図に対して平行な成分となるようにする。この入射直線偏光５１１はウェッジ型プリズム１２１の出射面１６１からみるとＰ偏光となる。
【００３０】
図７には明示しないが、ネマティック液晶層５０１が数μｍから数十μｍの所定の一定厚みを保持するように、第１の透明基板２０１と第２の透明基板２０３はスペーサを介して固定する。また、図７には示していないが複合電極２１１と共通電極２１３が短絡するのを防ぐために複合電極２１１の上および共通電極２１３の上の少なくとも一方に五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）や二酸化シリコン（ＳｉＯ2）などの透明絶縁膜を形成してもよい。また、透明絶縁膜を高屈折率膜と低屈折率膜からなる多層膜化して透過率を向上することも望ましい。第２の透明基板２０３上に形成する共通電極２１３は透明導電膜からなる全面電極であってよい。なお、複合電極２１１の構造については後述する。
【００３１】
複合電極２１１の光路部分および共通電極２１３を形成する透明導電膜に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いるときは、膜厚を５０ｎｍ以下として、さらに、利用する波長が近赤外域の場合、透過率を向上するために、成膜時に酸素濃度を多くしたシート抵抗数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使用することが望ましい。
【００３２】
ＩＴＯのほかに透明導電膜としては、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの薄膜が使用可能である。この場合も、膜厚は５０ｎｍ以下として、シート抵抗は数百Ωから１ｋΩ程度の膜を使うことが望ましい。
【００３３】
ガラスからなる第１の透明基板２０１または第２の透明基板２０３のネマティック液晶層５０１と反対の面のうちの空気層と接触する面には、空気と基板界面での反射を防止するため、必要に応じて無反射コート２１５を形成する。無反射コート２１５は、たとえば五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）と二酸化シリコン（ＳｉＯ2）の誘電体多層膜からなるコーティングを用いることができる。
【００３４】
なお、図３で示した入射光１５１または図７の入射直線偏光５１１はウェッジ型プリズム１２１の出射面１６１からみてＰ偏光１７１となる場合の構成を代表して示したが、入射直線偏光５１１が後段のウェッジ型プリズム１２１の出射面１６１からみてＳ偏光となる場合の液晶光位相変調素子１０１の構造を図８に示す。ネマティック液晶層５０１のダイレクタ２０７の向きを入射直線偏光５１１のＳ偏光と平行にすること以外は、図７と同様の構造である。
【００３５】
３−２．液晶光位相変調素子の動作原理
つぎに、液晶光位相変調素子１０１の動作原理について説明する。図９は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作の基本原理を示す模式図である。ｘ−ｚ面内に平行な方向にダイレクタ２０７がホモジニアス配向した状態で外部電場を印加した場合に、ダイレクタ２０７の長軸方向が電場方向に平行になるように配向するｐ型（ポジ型）ネマティック液晶を用いた液晶光位相変調素子１０１に、ｘ軸に平行な方向に振動する直線偏光１１１０がｚ軸方向に入射することを考える。液晶光位相変調素子１０１に入射する前の入射波面１１１３は平面である。その液晶光位相変調素子１０１に電場を印加し所定の屈折率分布となるようにダイレクタ２０７の面内分布を制御すると、入射波面１１１３を所定の角度θだけ偏向した平面波の出射波面１１２３に変換させることができる。
【００３６】
この現象をさらに詳細に図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作原理を示す説明図である。図１０において、液晶光位相変調素子１０１のネマティック液晶層５０１の出射側の平面をｘ−ｙ平面とし、液晶は、ｘ−ｚ平面に平行となるように配向させる。このとき、入射直線偏光１２０１がネマティック液晶層５０１に垂直に入射される。このネマティック液晶層５０１内には位置ｘの関数である異常光屈折率ｎe（ｘ）の分布１２１１が要素格子のピッチＰにおけるａ−ｂ間で直線的に変化するように予め動作点を決めておく。
【００３７】
また、ネマティック液晶層５０１の厚みｄは一定であるが、屈折率ｎe（ｘ）がピッチＰで直線的に変化しているため、ネマティック液晶層５０１中を伝搬する入射直線偏光１２０１は、場所によって異なるリターデーションΔｎ（ｘ）・ｄの変調を受けることになる。ここで、ｎ0を液晶の常光屈折率とおくと、
Δｎ(ｘ)＝ｎe（ｘ）−ｎ0            （７）
である。
【００３８】
入射直線偏光１２０１はネマティック液晶中、つまり誘電体媒質中を伝搬する場合、リターデーションが大きいところでは遅く、逆にリターデーションが小さい個所では速く伝搬する。このため、ネマティック液晶層５０１を出射した出射直線偏光１２０３は、波面が
ｔａｎθ＝δΔｎ・ｄ／Ｐ              （８）
だけ傾くことになる。
【００３９】
ここで、δΔｎは、ａ点とｂ点でのリターデーションΔｎ（ｘ）の差を式（９）のように計算した値である。
δΔｎ＝Δｎ（ａ）−Δｎ（ｂ）        （９）
【００４０】
このように、光偏向装置のネマティック液晶層５０１における異常光屈折率ｎe（ｘ）の分布１２１１が直線的であれば、入射直線偏光１２０１と同様に出射直線偏光１２０３の波面も平面となり、結果的に入射直線偏光１２０１に対して出射直線偏光１２０３はθだけ偏向させることができる。
【００４１】
つぎに、本発明に用いるネマティック液晶層５０１の異常光屈折率ｎe（ｘ）が直線近似できる条件について考察した。入射直線偏光は図１１に示すような印加電圧−実効複屈折率特性によって決まる変調を受ける。図１１において、横軸はネマティック液晶層５０１への印加電圧の実効値、縦軸は液晶分子の実効複屈折率Δｎを示す。電気光学応答曲線の形状は、使用する液晶の弾性定数、誘電率異方性特性や電場無印加時の配向膜層によって決まるプレティルト角などのパラメータから決まる。この印加電圧−実効複屈折率特性はメルク社のネマティック液晶材料ＢＬ００７（商品名）のものである。
【００４２】
またこの特性はΔｎｍａｘ＝０．２８７、液晶層厚さ２０μｍとして求めた理論曲線である。図１１には、プレティルト角が０．５度、２度、５度および１０度の場合の特性を示した。後述する図１６に示す複合電極２１１ａを持つ液晶光位相変調素子１０１として用いる場合は、図１０の作用を得るために１次曲線を近似できる直線領域１５２０近傍を用いる必要がある。よって、前記ネマティック液晶のプレティルト角は直線領域１５２０を広く取るため５度以下、さらに好ましくは２度以下が望ましいことがわかる。
【００４３】
３−３．複数個の液晶光位相変調素子を備えた場合
以上の説明にあっては、液晶光位相変調素子は一つであったが、この液晶光位相変調素子を複数個備えるようにしてもよい。ここでは、液晶光位相変調素子を２つ設けた場合の３つの例を説明する。
【００４４】
３−３−１．液晶セルの配向方向：平行、液晶セルの個別電極：平行
図１２は、２つの液晶光位相変調素子を示す断面図である。図１２において、入射光に対して、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａ（図面左）と、後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂ（図面右）を、並べて配置する。この際、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａと後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂの互いの液晶セルの配向方向は略平行である。また、互いの液晶セルの個別電極２１１Ａ，２１１Ｂも同様に略平行である。したがって、同一の液晶光位相変調素子を同一方向に２つ並べた状態である。
【００４５】
このような構成とすることで、図１２の断面図に対して平行な振動面を持つ入射偏光は、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａおよび後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂよって断面図に平行な面内（ｘ−ｚ面内）に偏向される。したがって、位相変調量が、一つの液晶光位相変調素子の場合の２倍となり、これによって大きな偏向を実現することができる。なお、並べて配置する液晶光位相変調素子の数を３以上に増加させることによって、より大きな偏向を実現することができる。
【００４６】
３−３−２．液晶セルの配向方向：直交、液晶セルの個別電極：平行
図１３は、２つの液晶光位相変調素子を示す断面図である。図１３において、入射光に対して、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａ（図面左）と、後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂ（図面右）を、並べて配置する。この際、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａと後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂの互いの液晶セルの配向方向は略直交である。また、互いの液晶セルの個別電極２１１Ａ，２１１Ｂは、略平行である。
【００４７】
このような構成とすることで、図１３の断面図に対して平行な振動面を持つ入射偏光は、後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂによって変調されるとともに、図１３の断面図に対して垂直な振動面を持つ入射偏光は、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａによって変調される。したがって、入射偏光に依存することがない入射偏光無依存型の光偏向装置を実現することができる。また、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａと後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂは、入射する直線偏光に対して順番を入れ替えてもよい。
【００４８】
３−３−３．液晶セルの配向方向：平行、液晶セルの個別電極：直交
図１４は、２つの液晶光位相変調素子を示す断面図である。また、図１５は本発明の実施の形態における光偏向装置を２次元光偏向装置として用いる場合の構成を説明するための模式図である。
【００４９】
図１４において、入射光に対して、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａ（図面左）と、後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂ（図面右）を、並べて配置する。この際、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａと後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂの互いの液晶セルの配向方向は略平行である。また、互いの液晶セルの個別電極２１１Ａ，２１１Ｂは略垂直である。
【００５０】
また図１５に示すように、本発明の光偏向装置１００は、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａと後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂおよび３角錐状の２次元ウェッジ型プリズム１２３より構成している。
【００５１】
２次元ウェッジ型プリズム１２３は、ｘ−ｚ平面傾斜角γ1とｙ−ｚ平面傾斜角（γ2）とで特徴付けられる。図１５のように座標を取った場合、
ｔａｎγ1＝ｗｚ／ｗｘ      （１０）
ｔａｎγ2＝ｗｚ／ｗｙ      （１１）
となる。
【００５２】
ここで、ｘ軸に平行な方向に振動する直線偏光１１１０がｚ軸方向に入射することを考える。液晶光位相変調素子１０１Ｂは、個別電極をｘ軸に平行となるように予め設定する。また、液晶の配向方向はｘ―ｚ面内に平行とする。さらに、液晶光位相変調素子１０１Ａの個別電極は、ｙ軸と平行とし、液晶の配向方向はｘ−ｚ面内に平行とする。
【００５３】
このような構成とすると、液晶光位相変調素子１０１Ｂは、入射した直線偏光１１１０の進行方向をｙ−ｚ面内で角度θy偏向する作用をおこない、液晶光位相変調素子１０１Ａは、ｘ−ｚ面内で角度θx偏向する作用をする。また、２次元ウェッジ型プリズム１２３は、角度θxを傾斜角γ1で決まるように拡大し、角度θyを傾斜角γ2で決まるようにそれぞれ独立に拡大する。このような構成とすることで、２次元光偏向装置を実現することが可能である。また、前段の液晶光位相変調素子１０１Ａと後段の液晶光位相変調素子１０１Ｂは、入射する直線偏光１１１０に対して順番を入れ替えてもよい。
【００５４】
４−１．第１の複合電極の構造
つぎに液晶光位相変調素子１０１のブレーズド型回折格子を形成するための第１の複合電極２１１ａの構造について図１６を用いて詳細に説明する。図１６は第１の要素格子７５１と第２の要素格子７６１の２つの回折格子領域を第１の活性領域６７１を有する第１の複合電極２１１ａの平面図である。
【００５５】
図１６において、第１の要素格子７５１は第１の個別電極７２１から第Ｎの個別電極７３０を有する。また、第２の要素格子７６１は第Ｎ＋１の個別電極７３１から、第２Ｎの個別電極７４０を有する。この第１の複合電極２１１ａでは、説明を容易とするために便宜上Ｎ＝１０とした。また、第１の個別電極７２１から第２Ｎの個別電極７４０は上述の膜厚と抵抗値を有するＩＴＯなどの透明導電膜により形成する。
【００５６】
また、第１の個別電極７２１から第Ｎの個別電極７３０は、第１の活性領域６７１の外部で複数の群（図１６では２つの群）にまとめられ、各群内における各個別電極を、個別電極と同じ材料であるＩＴＯなどの共通の集電極によって接続する。図１６においては、第１の個別電極７２１から第Ｎの個別電極７３０を第１の活性領域６７１の外部で第１の集電極７０１で接続し、第Ｎ＋１の個別電極７３１から第２Ｎの個別電極７４０は、同様にして第２の集電極７０３で接続する。
【００５７】
また、第１の集電極７０１の両端にＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３をそれぞれ接続し、第２の集電極７０３に、第３の信号電極７１５と第４の信号電極７１７をそれぞれ接続している。なお、前記集電極をシート抵抗数百〜１ｋΩの膜だけでなく、膜厚をさらに薄くしたり、その電極幅を狭くして電極の長辺方向に線形の抵抗を有するように構成してもよい。
【００５８】
図１６では便宜上、第１の要素格子７５１と第２の要素格子７６１の２つの回折格子領域だけを示したが、実際の液晶光位相変調素子１０１においては、第１の活性領域６７１に入射ビーム径に応じた所定の数の要素格子を形成する必要がある。入射光として８５０ｎｍ帯を用いるときの具体的な設計例として、第１の活性領域６７１に半導体レーザからの光をコリメータにより平行光として、入射する場合を仮定する。
【００５９】
このとき、平行光のガウシアンビーム径を３００μｍとした場合、第１の活性領域６７１の幅Ｌを４００μｍから１.５ｍｍとする。また、各要素格子の個別電極は、入射光の波長を考慮して２μｍ以下のラインアンドスペースが望ましく、要素格子のピッチＰ0を３０μｍから１００μｍとしたとき第１の複合電極２１１ａの幅Ｗは、８００μｍから２ｍｍ程度が望ましい。したがって、ピッチＰ0を３０μｍとしたとき要素格子の数は、２７個から６７個となり、ピッチＰ0を１００μｍとしたときは、要素格子の数は、８個から２０個となる。
【００６０】
上記の説明で明らかなように、ブレーズド型回折格子を形成する液晶光位相変調素子１０１においては一つの回折格子領域がＮ本の個別電極からなる場合にも、駆動回路からの制御信号に接続する信号電極の数は、集電極７０１，７０３の両端に接続することにより、要素格子の個数（Ｍ個）に対し２Ｍ本で済む。特に個別電極の数が増えた場合、信号電極の数を大幅に削減することが可能となるという利点を有する。
【００６１】
４−２．液晶光位相変調素子の駆動方法
つぎに前記第１の複合電極２１１ａを持った液晶光位相変調素子１０１の駆動方法について説明する。初めに、第１の要素格子７５１の部分を取り出して説明する。図１７に駆動波形を示す。第１の駆動波形１６０１を第１の信号電極７１１に印加し、第２の駆動波形１６０３を第２の信号電極７１３に印加する。第１の駆動波形１６０１と第２の駆動波形１６０３は互いに周波数と位相が等しく電圧のみが異なっており、第２の駆動波形１６０３の方が第１の駆動波形１６０１より電圧を大きくする。
【００６２】
また、期間ｔ１においては第１の駆動波形１６０１は＋Ｖ1[Ｖ]であり、第２の駆動波形１６０３は＋Ｖ2[Ｖ]である。ここで、共通電極２１３を０［Ｖ］とする。したがって、透明導電膜など線形の抵抗材料で形成した第１の集電極７０１によって電位が分割されるため、第１の活性領域６７１に形成した第１の要素格子７５１の個別電極には、それぞれ第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３に印加した電圧が配置位置によって直線的に分割されることとなる。ここで、個別電極の長手方向については個別電極がネマティック液晶層５０１のインピーダンスと比較して低抵抗材料で形成されるためほぼ同電位とすることができる。さらに、必要に応じて共通電極２１３にバイアス交流電圧を印加する期間を期間１および期間２と別に設けてもよい。
【００６３】
４−３．集電極の電位勾配の発生現象
つぎに、前記第１の複合電極２１１ａ（図１６）における第１の集電極７０１上の電位勾配と、各個別電極の電位との関係を詳細に説明する。図１７に示す期間ｔ１においては第１の信号電極７１１と第２の信号電極７１３とを接続する第１の集電極７０１の電位分布は、前述の説明したように、図１８の第１の電位分布１８０１で示す直線状の電位分布となる。図１７に示す期間ｔ２においては、第１の集電極７０１の電位分布は、図１８の第２の電位分布１８０３で示す電位分布となる。
【００６４】
ここで、図１８において、ａ点は、第１の信号電極７１１に接続される個別電極位置に対応し、ｂ点は、第２の信号電極７１３に接続される個別電極位置に対応している。図１７に示した駆動波形が５０％デューティの矩形波の場合は、図１８で示す２つの第１および第２の電位分布１８０１、１８０３を交互に時間的に繰り返すことになる。したがって、０［Ｖ］に維持した共通電極２１３を介してネマティック液晶層５０１に印加される電圧はどの個別電極の位置においても交番電圧化され、ネマティック液晶層５０１に直流成分が加わることはない。また、ネマティック液晶は実効値応答のため第１の信号電極７１１側には、実効値で常時Ｖ1[Ｖ]が印加され、第２の信号電極７１３には、Ｖ2[Ｖ]の電圧が印加され、さらに第１の集電極７０１で分割された電位が各個別電極に印加されると考えればよい。
【００６５】
４−４．集電極に発生する位相分布
つぎに、前記集電極に発生する位相分布について説明する。図１９に液晶にＢＬ００７（メルク・ジャパン社製：商品名）を使用してプレティルト角を１度に設定したときの液晶に印加する電圧［Ｖｒｍｓ］と相対位相差Δとの関係のグラフを示す。特性曲線１７１１は１．４〜１．８［Ｖ］近傍で直線近似領域１７０１を持つことがわかる。液晶層の厚さｄは２０［μｍ］として、波長λは８５０［ｎｍ］のときを考える。
【００６６】
なお、相対位相差Δは、実効複屈折率をΔｎとおいて、
Δ＝Δｎ・ｄ／λ              （１２）
で定義する。
【００６７】
図１９の相対位相差Δの直線近似領域１７０１から、λ＝８５０ｎｍにおいて直線可変調範囲１７０５が波長λで２波長以上、つまり位相で４π程度取れることがわかる。このように、プレティルト角によって異常光屈折率の直線近似ができると同時にそのプレティルト角の範囲内における、直線近似領域１７０１内で動作する動作電圧範囲１７０３以内の電圧を印加すれば、第１の複合電極２１１ａの第１の活性領域６７１に、個別電極の位置に比例する位相分布を実現することができる。
【００６８】
４−５．液晶光位相変調素子の別の駆動方法
つぎに、複合電極２１１ａを持つ液晶光位相変調素子１０１で任意の偏向角を実現する他の方法について説明する。
【００６９】
４−５−１．他の駆動方法（その１）
図２０は、本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の位相分布を示す模式図である。この場合、要素格子のピッチをＰ0とし、最大偏向角θｍａｘを、
ｔａｎθｍａｘ＝λ／Ｐ0              （１３）
と定義する。
【００７０】
このときのθｍａｘの位相変調曲線２００１（一点鎖線）のときの最大位相変調量は、要素格子のピッチＰ0の距離で一波長分つまり２πとなる。前記第１の複合電極２１１ａの場合、第１、第２の信号電極の位置が予め決められているので、位相を変えるために任意の電極位置で、２πだけのリセットをかけることが不可能である。そこで、所定の位置でリセットをかけるために、まずθｍａｘより少し小さい角度θpを高次光の発生無く振る場合を考える。このとき、θpの位相変調曲線２００３（実線）においては、λ〜２λの間でリセットをかける必要がある。このように、第１の複合電極２１１を用いる場合は、所定の要素格子のうち、位相変調量がλ以上２λ未満に入る要素格子ごとにリセットをかける駆動方法を用いるようにしてもよい。
【００７１】
４−５−２．他の駆動方法（その２）
つぎに、前記第１の複合電極２１１ａを持った液晶光位相変調素子１０１の別の駆動方法について説明する。図２１は、一つの要素格子に配置した信号電極端子への波形印加期間を示した図である。この駆動方法においては、１フレームを期間１と期間２に分けて駆動する。具体的には、ネマティック液晶層５０１の劣化を防ぐため、平均値が０となるような交番電圧の駆動信号２１０１を第１の信号電極７１１に印加し、第２の信号電極７１３を共通電極２１３と同電位となるように０［Ｖ］とする期間１と、第２の信号電極７１３に交番電圧の駆動信号２１０１を印加し、第１の信号電極７１１を共通電極２１３と同電位となるように０［Ｖ］とする期間２を交互に設けた駆動方法である。
【００７２】
このような駆動方法を用いることで期間１と期間２を足した１フレームに要素格子に生じる液晶電位分布は、それぞれの期間の実効値に近い値をとる。期間１および期間２の印加波形は、任意でよく、たとえば振幅の異なる２つの波形を印加できる。また、パルス幅変調により、実効値を制御した波形でもよい。さらに、必要に応じて共通電極にバイアス交流電圧を印加してもよい。
【００７３】
４−６．複合電極の他の構造（その１）
つぎにブレーズド型回折格子を形成するための複合電極の他の構造について図２２を用いて詳細に説明する。先に説明した第１の複合電極２１１ａ（図１６）の構造に加えて、第２の複合電極２１１ｂは、第１の活性領域６７１の外部で複数の個別電極の群の両端に集電極を配する構成を採用する。
【００７４】
図２２においては、第１の活性領域６７１の外部で第１の集電極７０１と対向する位置に第３の集電極８０１を、第１の活性領域６７１の外部で第２の集電極７０３と対向する位置に第４の集電極８０３を配する。さらに、第３の集電極８０１はＭｏやＡｇ合金などの低抵抗金属材料からなる第５の信号電極８１１と第６の信号電極８１３に接続し、第４の集電極８０３は第７の信号電極８１５と第８の信号電極８１７に接続している。
【００７５】
この第２の複合電極２１１ｂの構造では、第１の信号電極７１１と第５の信号電極８１１、第２の信号電極７１３と第６の信号電極８１３、第３の信号電極７１５と第７の信号電極８１５、および第４の信号電極７１７と第８の信号電極８１７のペアは外部で短絡して駆動する。なお、第２の複合電極２１１ｂを用いた光偏向装置の駆動方法は、先に説明した駆動方法をそのまま適用することができる。
【００７６】
図２２に示した、光偏向装置を形成するための第２の複合電極２１１ｂの構造は、個別電極が細くまた長くした場合などに、ネマティック液晶層の駆動周波数でのインピーダンスに比較して個別電極のインピーダンスが、無視できなくなる程大きくなる場合に特に有効である。
【００７７】
４−７  複合電極の他の構造（その２）
つぎに高速応答が必要な応用の場合に特に有効である他の構成の第３の複合電極２１１ｃについて説明する。図２３はブレーズド型回折格子を実現するための第１の活性領域６７１と第３の複合電極２１１ｃの関係を示す平面図である。図２３において第３の複合電極２１１ｃは、複合電極を構成するＩＴＯなどの透明導電膜により形成した第１の個別電極６２１から便宜上Ｎ＝２０とし、第Ｎの個別電極６４０により形成している。
【００７８】
光偏向をおこなうためのブレーズド型回折格子を第１の活性領域６７１に実現するために第３の複合電極２１１ｃには所定の電圧をそれぞれの個別電極６２１〜６４０に印加する必要がある。電圧パターンへの印加手段は、第１の個別電極６２１から第Ｎの個別電極６４０を図２３に示すように別々に形成して各個別電極を独立にＩＣなどの駆動回路で駆動して、各個別電極に段階的な電位差を生じさせる。
【００７９】
その第３の複合電極２１１ｃを用いた液晶光位相変調素子１０１を用いて任意の偏向角を実現する方法を図２４を用いて説明する。第３の複合電極２１１ｃにおいては、各個別電極は独立に直接駆動回路により任意の電圧を印加できる。したがって、可変調量が最小で２π（一波長）まで取れる場合、任意の偏向角を実現することが可能となる。たとえば、第１の位相変調波形１９０１を、第１の活性領域６７１に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ1は、
ｔａｎθ1＝λ／Ｐ1              （１４）
で与えられる値を取る。
【００８０】
ここで、λは一波長分の相対位相差を示す。また、ｘ軸方向を個別電極に直交する方向とした。本構成を用いることで、所定の個別電極を束ねたピッチＰ1において、位相を一波長分リセットすることにより、回折効率を１００パーセントに近づけることが可能となる。
【００８１】
つぎに、第２の位相変調波形１９０３を、第１の活性領域６７１に実現するような電圧を各個別電極に印加したとき、偏向角θ2は、
ｔａｎθ2＝λ／Ｐ2              （１５）
で与えられる値を取る。このように、位相をリセットする所定のピッチＰ1を変更することで、任意の偏向角θを容易に実現することが可能となる。
【００８２】
さらに、第３の複合電極２１１ｃを用いた液晶光位相変調素子１０１の場合、たとえば、図１９に示す直線近似領域１７０１だけでなく、特性曲線１７１１の全域を利用することが可能となる。液晶セルの電場印加から電場無印加時の応答速度はセル厚の２乗に比例することが知られているため、液晶セルの厚みを薄くして高速応答化をする上で有利である。これは、各個別電極に任意の電圧を印加できるため特性曲線１７１１の非線形性を印加電圧の重み付けにより吸収することが可能なためである。
【００８３】
以上の説明から明らかなように、本発明の光偏向装置においては、単純な構造を持ち、駆動も単純に、大きな角度の偏向が可能な自由空間光通信やレーザレーダまたは、光スキャナに適する機械的な可動部の無い、軽量小型化の光偏向装置を実現することができる。
【００８４】
すなわち、本実施の形態にあっては、光偏向装置において、平行ストライプ状に配した透明導電体からなる複数の個別電極７２１〜７４０を有する第１の透明基板２０１と、透明導電体からなる共通電極２１３を有する第２の透明基板２０３との間に挟持したネマティック液晶層５０１を備え、第１の透明基板２０１上に形成された各個別電極７２１〜７４０に所定の電圧を印加することにより、ネマティック液晶層５０１に屈折率の変調を生じさせるように構成した液晶光位相変調素子１０１の光出射側に、液晶光位相変調素子１０１から出射した光の偏向角を拡大する機能を有するウェッジ型プリズム１２１を配置した構成となっている。また、本実施の形態にあっては、上記液晶光位相変調素子１０１を、複数枚構成するようにしてもよい。
【００８５】
また、本実施の形態にあっては、複数の個別電極７２１〜７４０が、複数の群にまとめられ、各群内における各複数の個別電極７２１〜７４０を共通の集電極７０１，７０３で接続するとともに、その集電極７０１，７０３の両端に一対の信号電極７１１，７１３，７１５，７１７を接続する構成となっている。また、本実施の形態にあっては、少なくとも一つの前記群に配した一対の信号電極（たとえば７１１，７１３）に、それぞれ異なる電圧の駆動波形を印加する。また、少なくとも一つの前記群に配した一対の信号電極（たとえば７１１，７１３）の一方に交番電圧を印加し、他方を０［Ｖ］とする期間と、該他方に交番電圧を印加し、該一方を０［Ｖ］とする期間を交互に設けるようにしてもよい。また、前記交番電圧が、パルス幅変調した電圧であってもよい。また、本実施の形態にあっては、共通電極２０３側からネマティック液晶層５０１に交流バイアスを印加する期間を設けるようにしてもよい。
【００８６】
このように、本実施の形態にあっては、直線状の透明導電膜からなる複数の個別電極２１１を持ち複数の個別電極７２１〜７４０と共通電極２１３とでネマティック液晶層５０１を挟んだ液晶光位相変調素子１０１と液晶光位相変調素子１０１に隣接するように配置する偏向角を拡大するウェッジ型プリズム１２１を配置する構成を取ることによって、液晶光位相変調素子１０１で入射直線偏光のウェッジ型プリズム１２１に入射する入射角を制御する。つまりウェッジ型プリズム１２１は、入射角の偏角量を拡大する働きをする。
【００８７】
さらに、液晶光位相変調素子１０１は、第１の透明基板２０１に形成された複数の個別電極７２１〜７４０に所定の電圧を印加することで、ネマティック液晶層５０１に空間的な屈折率変調領域を誘起して、ブレーズド型回折格子を実現する作用をする。液晶光位相変調素子１０１の複数の個別電極７２１〜７４０は、各個別電極７２１〜７４０を複数の群にまとめられ各群内における各複数の個別電極７２１〜７４０を共通の集電極７０１、７０３によって束ねる構成とすることで駆動電極本数を大幅に減らす構成としてもよい。この場合、各集電極７０１，７０３に設けた一対の信号電極７１１，７１３，７１５，７１７に所定の電位差を与えることで集電極７０１，７０３には、直線状の電位勾配が誘起され、各個別電極２１１（７２１〜７４０）に所定の電位が分配される。
【００８８】
各個別電極２１１に所定の電位差を誘起する駆動方法としてたとえば、一対の信号電極７１１，７１３に、それぞれ異なる電圧の駆動波形を印加する方法を採用する。また、別の駆動方法としては、少なくとも一つの前記群に配した一対の信号電極の第１の信号電極７１１に交番電圧を印加し、第２の信号電極７１３を０［Ｖ］とする期間と、第２の信号電極７１３に交番電圧を印加し、第１の信号電極７１１を０［Ｖ］とする期間を交互に繰り返す方法を採用する。
【００８９】
このように本実施の形態にかかる本発明の光偏向装置では、単純な構成で簡便な駆動方法により高機能な光偏向装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態における光偏向装置を示す模式断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における光偏向装置を示す模式断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における光偏向装置の原理を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるウェッジ型プリズムの入射角度と出射角度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態におけるウェッジ型プリズムの入射角度と角度増加率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態における光偏向装置の入射角と出射角との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の別の構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作の基本原理を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の動作原理を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の電圧−複屈折特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態における２つの液晶光位相変調素子の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態における２つの液晶光位相変調素子の別の構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態における２つの液晶光位相変調素子の別の構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態における２次元光偏向装置の基本構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の複合電極の構造を示す平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の駆動波形を説明する模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の電位分布を示す説明図である。
【図１９】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の電圧−相対位相差特性を示すグラフである。
【図２０】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の位相分布を示す模式図である。
【図２１】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の駆動波形を示す模式図である。
【図２２】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図２３】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の複合電極の構造を示す模式平面図である。
【図２４】本発明の実施の形態における液晶光位相変調素子の位相分布を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１００  光偏向装置
１０１  液晶光位相変調素子
１２１  ウェッジ型プリズム
１２３  ２次元ウェッジ型プリズム
１４１  駆動装置
１５１  入射光
１５３  第１の出射光
１５５  第２の出射光
１５７  第３の出射光
１６１  出射面
１７１  Ｐ偏光
２０１  第１の透明基板
２０３  第２の透明基板
２０７  ダイレクタ
２０９  ティルト角
２１１  複合電極
２１３  共通電極
３０１  入射角度範囲
３０３  出射角度範囲
５０１  ネマティック液晶層
５１１  入射直線偏光
６２１．．．６４０  個別電極
６７１  第１の活性領域
７０１  第１の集電極
７０３  第２の集電極
７１１  第１の信号電極
７１３  第２の信号電極
７１５  第３の信号電極
７１７  第４の信号電極
７２１．．．７４０  個別電極
７５１  第１の要素格子
７６１  第２の要素格子
【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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【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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