(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホモジニアス配向の液晶層を介してストライプ紋様を持った梯子型電極の複数が光を通すことのできる他の電極と対向配置された液晶パネルにおいて、
それぞれの上記梯子型電極と光を通すことのできる上記電極間に電圧を印加すると共に、前記梯子型電極のストライプ横断方向で、且つ、前記液晶層内に電位差勾配を作るべく、前記ストライプ間に電圧を印加することにより、前記液晶層内で、且つ、前記梯子型電極のストライプ横断方向に沿って屈折率勾配を発生させる際に、
それぞれの前記梯子型電極のストライプ横断方向変位に対する、前記屈折率勾配のある液晶層を透過する光ビームの波面位相の二次微分、を導出して、波面曲率歪み量をリアルタイムで算出し、
上記梯子型電極における順次隣接する波面位相の位相差については、算出された該波面曲率歪み量を小さくする前記梯子型電極の波面位相を、光強度が強い開口中心に近い電極から周辺部へと順次選択して、前記波面位相が全体として滑らかになるようにするブレージングを行うことを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法において、
逐次、前記梯子型電極毎に前記波面位相を計算し、該波面位相に隣接する波面位相が２πを超えるものから選択することで、擬似的に２π未満の位相差になるように２パイ周期で位相の折り返しを行って位相シフトを行うものであって、
前記位相シフトを行う際に、
（１）前記液晶パネルの光ビームの強い部分へ優先的に波面位相の境界条件を与えて初期値にし、
（２）上記位相シフトによる等位相面が波面の曲率となるように上記ブレージングを施しながら液晶パネルの光ビームの弱い部分へ波面位相を延長することを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法において、
前記ブレージングを施す際に、上記梯子型電極に与える電圧の計算値にバイアス値を加減して波面曲率の調整を行い、
同一デバイス単体で、焦点調整することを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。
【請求項４】
ホモジニアス配向の液晶層を介してストライプ紋様を持った梯子型電極が他の光を通すことのできる電極と対向配置された液晶パネルである、第１の液晶パネルと第２の液晶パネルとが光ビームを連鎖して入射するように配置され、
第１の液晶パネルのストライプ方向が第２の液晶パネルのストライプ方向に直交あるいは斜交するように配置されている場合に、
請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法を、第１の液晶パネルと第２の液晶パネルのいずれかの液晶パネルに適用することを特徴とする波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光宇宙通信や光無線通信などの空間光通信を行う場合に光アンテナの光学系に適用することができるもので、光アンテナの光学系に適用して光ビームの偏向を制御する波面曲率を考慮した液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法に関しており、特に、液晶の電圧と透過光位相の間の非線型性による偏向角と共に変動する位相歪がある場合でも、偏向角によらずそれらの液晶の非線型性による位相歪を抑え、高効率でビームの偏向を可能にする制御方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
図１は、（ａ）衛星と地上局との光宇宙通信や（ｂ）建物間の光無線通信などの、空間光通信の様子を示している。このような通信方法で、送信局あるいは受信局が移動してしまう場合は、光アンテナをその移動にあわせて制御する必要がある事は、既によく知られている。また、このための制御には、液晶光ビーム偏向器が簡便なものとして用いられる場合がある。このような液晶光ビーム偏向器は、図１に示す空間光通信用の光デバイスとして、また、通信用途に限らず、レーザ光学やその応用など、より一般の能動光学部品としても利用されている。
【０００３】
従来、非特許文献１あるいは２に記載されている様に、液晶を用いた光偏向装置でこれまでに提案されたものの多くは、液晶の屈折率変化により境界面での屈折や反射を２値的に変化させるものであり、連続的な偏向を目的としたものではなくスイツチングを目的としたものが多い。それら２値的な偏向を想定したものにおいては、その屈折率勾配分布の位相折り返しは固定されており、位相の動的なブレージング（接続）は考慮されず、そのため、連続的な偏向への拡張は不可能となっていた。ここで、位相のブレージンクとは、その波面位相が隣接する電極に印加した電圧によって偏向された波面位相と滑らかに繋がることを意味する。
【０００４】
また、特許文献１「光偏向器と光走査装置と情報読み取り装置」には、透明電極間に電圧を印加して液晶内に平行縞を現させる装置が開示されている。これは、その平行縞を回折格子として使い、回折により偏向させるものである。これは、後に説明するように、本発明に係る偏向器とは作動原理が相違する。
【０００５】
また、特許文献２「屈折率分布型光偏向器及び光偏向方法」には、印加電圧による電位勾配を使って屈折率勾配を制御する方法が開示されている。しかしこれには、非線形性を考慮した波面曲率の微調すなわち焦点調整まではできない、という特徴があり、この点で本発明とは相違する。
【０００６】
液晶光ビーム偏向器のひとつである抵抗電極型液晶光ビーム偏向器のうち、特に、梯子型電極付液晶光ビーム偏向器の（ａ）正面図と（ｂ）側面図を図２に示す。このタイプの液晶偏向器は、図３（ａ）に示すように、液晶パネルにストライブ状に形成した電極面を抵抗率を持った材料で作り、電極セルの両端にかけた駆動電圧がセル面に電位勾配をつくり、それに合わせた形でホモジニアス配向の液晶層に、電位勾配のある電圧を印加し、屈折率勾配を発生させるものである。ここで、ホモジニアス配向（Homogeneous alignment）とは、２枚の基板間に挟まれた液晶分子群の長軸方向が基板面に平行である配向である。これは、並列配向とも言われている。この結果、図３（ｂ）に示すように、液晶パネルに屈折率の分布ができ、入射したレーザ光は、この屈折率の分布に従って偏向される。
【０００７】
その場合に、液晶に印加された電圧と透過光波面位相との間の非線形性により、偏向角と共に変動する位相波面曲率歪みを生ずる。高効率で光ビームの偏向を可能にするためには、偏向角の大きさに無関係に、その液晶の非線形性に起因する位相波面曲率歪みを抑える必要があった。
【０００８】
また、従来、液晶デバイスにおいては、連続的な偏向が可能であるが、液晶層の厚みは一定として屈折率の変化を作るために、透過波面の精度は液晶の持つ当該液晶への印加電圧と当該液晶を透過する光の位相シフトとの間の非線形性の影響を受けることになる。
【０００９】
そこで、液晶分子のプレティルト角を最適設計することにより、液晶分子の立ち上り部分での線形動作領域の拡大を行なわなければならないと言う問題を残すことになった。ここで、プレティルト角とは、液晶に電圧印加する前に液晶分子が予め配向している角度を言い、縦型液晶では液晶層に垂直な直線に対する角度で、横型液晶では液晶層面に対する角度である。
【００１０】
さらに、残された微小ながらも光学部品としては無視できない非線型誤差及び飽和曲線部をどのように処理するかに関しては制御方法を工夫しなければ、波面精度への影響の改善を図れないと言った問題を残すことになった。たとえば、波晶レンズによる光線の収束及び梯子型電極を用いた光ビームの偏向などはそれぞれ個別の課題として存在していた。
【特許文献１】特開平７−２６１２０３号公報
【特許文献２】特開平７−６４１２３号公報
【非特許文献１】W. Klaus, at al., “Efficient liquid crystal wavefront modulators” Proc. SPIE, vol3015, pp.84-92 (1997)
【非特許文献２】W. Klaus, et al., “Adaptive LC lens array and its application,” Proc. SPIE, 3635, pp. 60-73 (1999)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１２は、液晶パネルに印加する電圧に対する液晶開口面での波面位相の状態（リターデーション）を示す。この図から液晶の非線形性、すなわち、印加電圧と透過光波面位相が非線形関係に有ることが分かる。
【００１２】
一般に、液晶層の厚みは一定として、連続的な偏向が可能であるようにするように屈折率を変化させると、透過波面の精度は液晶の非線形性の影響を受ける事が知られている。そのため、通常は、液晶分子のプレティルト角の最適設計により液晶分子の立ち上り部分での線形動作領域の拡大が行われている。しかし、微小な非線型誤差及び飽和曲線部が残されており、これをどのように処理するかが問題である。
【００１３】
本発明では、上記の残された微小な非線型誤差及び飽和曲線部をどのよう処理するかに関して、その屈折率の制御法の工夫により波面精度への影響の改善を図っている。この改善により、波面の収束と偏向とを統合し、さらに、変更角や波面の収束率に関わらず連続的な動作を可能にする液晶波面変調器を実現するものである。
【００１４】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、液晶光ビーム偏向器の動作を制御する方法において、波晶光ビーム偏向器の透過光線の波面歪みを低減し、任意の偏向角度に対して高効率のビーム偏向を可能にする液晶光ビーム偏向器の高精度制御方法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】
【００１５】
位相波面曲率歪みを抑制することにより、偏向時のビーム制御精度の向上が図れると同時に、液晶の電気光学特性を非線形領域まで利用できるようなる。また前記の抑制の結果として、光ビーム偏向器単体で波面曲率の補正、すなわちフォーカス装置を兼ねることが可能となり、液晶のもつ軽便性と合わせることで、小型高精度化を図ることができるレーザ偏向光学系を提供できるようになる。
【００１６】
また、位相波面曲率歪みを抑制するために、本発明においては、位相波面曲率の２次微分の導出により、液晶の非線形性によって生ずる波面曲率歪の量を事前にリアルタイムで算出できるようにした。これにより、偏向を目的として波面傾斜を与えたときに液晶の変調範囲に対して傾斜が急な場合など、２パイ周期での位相折り返しが必要な際にも、波面歪みを最小とする最良な折り返し方法の算出が可能となる。さらにこれを評価関数として逐次的に電極毎の位相を計算するアルゴリズムを構成する。すなわち、光強度の強い開口中心へ優先的に最良値を与えて初期値にし、波面の曲率となるよう最適の条件でブレージング（接続）を施しながら周辺部へ位相面を延長する。その際、波面曲率の評価にバイアス値を与えることで、波面曲率の微調整が可能となる。
【００１７】
上記の特徴をもつ本発明は、ホモジニアス配向の液晶層を介してストライプ紋様を持った梯子型電極の複数が光を通すことのできる他の電極と対向配置された液晶パネルにおいて、
それぞれの上記梯子型電極と光を通すことのできる上記電極間に電圧を印加すると共に、前記梯子型電極のストライプ横断方向で、且つ、前記液晶層内に電位差勾配を作るべく、前記ストライプ間に電圧を印加することにより、前記液晶層内で、且つ、前記梯子型電極のストライプ横断方向に沿って屈折率勾配を発生させる際に、
それぞれの前記梯子型電極のストライプ横断方向変位に対する、前記屈折率勾配のある液晶層を透過する光ビームの波面位相の二次微分、を導出して、波面曲率歪み量をリアルタイムで算出し、
上記梯子型電極における順次隣接する波面位相の位相差については、算出された該波面曲率歪み量を小さくする前記梯子型電極の波面位相を、光強度が強い開口中心に近い電極から周辺部へと順次選択して、前記波面位相が全体として滑らかになるようにするブレージングを行う。
【００１８】
波面傾斜が緩慢である場合は、連続な波面を用いることが最良であるのは明らかであるが、波面傾斜が急になるにつれて液晶の非線型性の影響は増大する。また一方では、調整する波面位相が液晶の位相変調範囲に収まらなくなる場合があるが、その場合は、光振動の周期性を利用して２パイ周期で位相の折り返しを行う。上記のような場合にも目的とする波面傾斜に応じて液晶の非線型性を加味しながら最適な位相の折り返しを行うことが可能となる。
【００１９】
また、上記の様に、前記位相シフトを計算する際に、（１）前記液晶パネルの光ビームの強い部分へ優先的に波面位相の境界条件を与えて初期値にし、（２）上記位相シフトによる等位相面が波面の曲率となるように上記ブレージングを施しながら液晶パネルの光ビームの弱い部分へ波面位相を延長するようにする。
【００２０】
また、上記のようにブレージングを施す際に、適宜、上記梯子型電極に与える電圧の計算値にバイアス値を与えることで、波面曲率の微調整をする。この処置により同一デバイス単体で、焦点調整することができるようになる。
【００２１】
また、上記のような液晶パネル２枚、第１と第２の液晶パネル、が光ビームを連鎖して入射するように配置され、第１の液晶パネルのストライプ方向が第２の液晶パネルのストライプ方向に直交あるいは斜交するように配置されている場合に、第１の液晶パネルと第２の液晶パネルのいずれかの液晶パネルを上記の方法で制御することで、上記の課題を解決できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、液晶デバイスのうち抵抗電極型のビーム偏向器に関して、その制御方法を工夫して、液晶の非線形性による残留波面誤差を改善した。この改善は、位相のブレージングを行なう過程に最適処理を加えることで波面の曲率を制御し、理論値に迫る高精度化を実現することによるものである。また、ビーム偏向器本来の機能である高精度化に加え、波面曲率の制御により同じデバイス単体で焦点調整の実現も可能となる。
【００２３】
一般に、液晶を用いて連続的にビーム偏向を行う場合、液晶の非線形歪みもそれにしたがって変化してしまい、単純な位相補正板による補正などが行いにくいことがある。本発明を適用した場合は、偏向方向などのパラメータが連続的に変化した場合でも有効であることである。
【００２４】
具体的な例として、図４〜図６に、前述の位相がブレージングされた様子を示す。図４は、波面位相が偏向器全体として中央が凹面になるように左右対称に収束する場合である。また、図５は、波面位相が偏向器全体として一方に勾配をもって偏向する場合である。また、図６は、波面位相が偏向器全体として凹面を形成しながら一方に偏向する場合である。いずれも波面位相はブレージングされているため、位相シフトは生じている。また、いずれの位相誤差も士０．１ラジアン以内に収まっているのが分かる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いる。
【００２６】
本発明を実施するための最良の形態であるレーザ光の発振から検出までの光学系を図７に示す。図７（a）は、無限遠へのビーム偏向の場合のブロック図であり、図７（b）は、液晶開口面を観察する際のビーム偏向の場合のブロック図である。
【００２７】
図７（a）には、４分の１波長板３を介して、図３に示すものと同じ構造のＸ軸方向の偏向を制御する液晶パネル２とＹ軸方向の偏向を制御する液晶パネル４が光軸方向に順に並び、これを１つのユニットとしている。図７（a）では、入射方向から偏光角９０゜の偏光子１、前記ユニット、レンズ５の順序に配置されている。また、図２（ｂ）では、同様に偏光角４５゜の偏光子７、前記ユニット、偏光角４５゜の検光子８、レンズ５の順序に並べた光学系が示されている。
【００２８】
さらに、図７（b）では、前記レンズによって結んだ像を受光器６のＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）で受光し、その結果をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０で信号処理しＤＡＣ９（ディジタルアナログコンバータ）アレイを介して、前記２つの液晶パネルを制御していることを示している。ここで、ＣＣＤによる受光結果の出力は、ビームプロファイラ１２にも切り替えて記録可能である。ＤＡＣアレイは、ＰＣからの偏向用ディジタル信号をアナログ信号に変換し、このアナログ信号を液晶パネルに電圧として印加している。
【００２９】
図７(a)に示すビーム偏向光学系におけるビーム偏向の結果、結んだ像を図８（a）に示す。また、焦点調整の結果、結んだ像を図８（b）に示す。図８（c）は各像の相対強度を示す。
【００３０】
図９（a）に焦点パラメータに対する結像の状態を、また、図９（b）に焦点パラメータに対するピーク強度を示す。
【００３１】
図１０にビーム偏向光学系における液晶開口面での波面の位相の遅れ（Phase Retardation ： リターデーション）を示す。図１０（ａ）は、ビームが直進した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。何の縞模様も現れていない。また、図１０（ｂ）は、ビームが収束した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。同心円状の縞模様が形成されているが、中心はビームの軸上から逸れていない。また、図１０（ｃ）は、ビームが偏向した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。波の側面の軌跡のような縞が現れている。また、図１０（ｄ）は、ビームが偏向し、且つ、収束した場合の液晶開口面での波面位相の状態を示す。中心がビームの軸上から逸れている同心円状の縞模様が形成されている。
【００３２】
なお、これらが連続的な波面変化（偏向、収束、発散）に対しても働き得ることは、数式及び計算機シミュレーションでも確認された。
【００３３】
また、図７（ｂ）で、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０からの信号処理の結果をＤＡＣ９アレイを介して、前記２つの液晶パネルを制御する際には、図１１に示すように、それぞれの梯子型電極の受け持つ位相差を２π以内に計算処理することができる。例えば、図１１（ａ）に示すように、該波面位相に隣接する波面位相が２πを超える位相差である場合に、図１１（ｂ）に示すように、それぞれの梯子型電極の受け持つ位相差を２π以内にして、その総和が、擬似的に上記の総合的な位相差に等しくなるようにする。これは、光波の周期性から容易に理解でき、この処理により、印加電圧を低下させ、液晶の非線形性による残留波面誤差を改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、空間光通信における、光アンテナの光学系補正用に用いることで、ビーム指向性の高精度な偏向及び焦点(フォーカス)の調整を小型の液晶素子一つで実現できることになり、低駆動電力で超小型の光アンテナの実現が期待できる。また、宇宙用の光デバイスとしても、通信用途に限らず、レーザ光学やその応用など、より一般の能動光学部品としても利用できる。
【００３５】
また、ビーム偏向精度の向上が図れると同時に、液晶の電気光学特性を非線形領域まで利用するように制御パラメータを設定すれば、波面曲率を制御することも可能となる。結果として、ビーム偏向器単体で波面曲率の補正、すなわちフォーカス装置を兼ねることが可能となり、液晶のもつ軽便性と合わせれば、レーザ偏向光学系の小型高精度化を図ることができる。
【００３６】
液晶パネルを用いたビーム偏向デバイスは、電源を含めた全システムでも腕時計サイズ並みの構成を可能にする。したがって、通信用システムであれば、複雑になりがちな光アンテナの構造を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】空間光通信(衛星と地上局との光宇宙通信や、地上のビル間の光無線通信)概念図である。
【図２】梯子型電極忖液晶光ビーム偏光器の（ａ）正面図と（ｂ）側面図である。
【図３】梯子型電極付液晶光ビーム偏向器の（ａ）平面図と（ｂ）断面図である。
【図４】電極に対応する波面位相および位相誤差(収束)を示す図である。
【図５】電極に対応する波面位相および位相誤差(偏向)を示す図である。
【図６】電極に対応する波面位相および位相誤差(偏向と収束)を示す図である。
【図７】レーザ光の発振から検出までのビーム偏向光学系を示す概略模式断面図で、(a)無限遠へのビーム偏向を示す図、(b)液晶開口面を観察する際のビーム偏向を示す図、である。
【図８】ビーム偏向光学系による結像を示す図で、(a)ビーム偏向の結像図、(b)焦点調整の結像図、(c)各像の相対強度を表す図、である。
【図９】焦点パラメータによる結像と強度を示す図で、(a)焦点パラメータに対する結像図、(b)焦点パラメータに対するピーク強度を表す図、である。
【図１０】ビーム偏向光学系における液晶開口面での波面位相の状態を示す図で、(a)直進、(b)収束、(c)偏向、(d)偏向と収束(右下図)、の場合を示す図である。
【図１１】該波面位相に隣接する波面位相が２πを超える位相差である場合に、それぞれ２π未満の位相差になるように位相シフトして擬似的に等しくすることを説明するための図である。
【図１２】ビーム偏向光学系における液晶印加電圧に対する液晶開口面でのリターデーションを示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  偏光子
２  液晶パネル
３  ４分の１波長板
４  液晶パネル
５  レンズ
６  撮像器
７  偏光子
８  検光子
９  ディジタルアナログコンピュータ
１０  パーソナルコンピュータ
１１  スイッチ
１２  ビームプロファイラ
【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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