(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子的可変光減衰器であって、
第１の組の領域に、第２の組の領域が差し込まれている液晶領域のアレイであって、向けられた光ビームを受けるように適応されたアレイと、
前記液晶領域の組の少なくとも１つが間に配置される一対の電極であって、前記液晶領域のアレイの共通の表面に平行に配列される成分を有する電界を生じるように、共通の表面に沿って配置される一対の電極と、
を備え、
前記第１の組の領域は前記受光した光に応答して第１の回折パターンを生成するように構成され、前記第２の組の領域は前記受光した光に応答して第２の回折パターンを生成するように構成されており、
前記一対の電極は、前記第１の回折パターンおよび前記第２の回折パターンを組み合わせることができるように配置されている、電子的可変光減衰器。
【請求項２】
電子的可変光減衰器であって、
領域の複数のサブセットをそれぞれが有する複数の組を含み、サブセットが前記組に差し込まれる液晶領域のアレイであって、向けられた光ビームを受けるように適応されたアレイと、
前記液晶領域の組の少なくとも１つが間に配置される一対の電極と、
を備え、
各組のサブセット内の領域は、前記受光した光に応答して、対応する回折パターンを生成するように構成されており、
前記一対の電極は、前記一対の電極間に生じた電界に従って選択された軸に沿った干渉度と、前記サブセットの対応する回折パターンを組み合わせることができるように配置されている、電子的可変光減衰器。
【請求項３】
請求項１記載の減衰器において、前記干渉度は、前記受光した光の偏光とは無関係である減衰器。
【請求項４】
請求項１記載の減衰器において、前記領域は、ダイレクタ・フィールド軸に沿って細長い分子を含み、前記第１の組の分子のダイレクタ・フィールド軸は、第２の組の分子の前記ダイレクタ・フィールド軸に直交する、減衰器。
【請求項５】
請求項１記載の減衰器において、前記領域は、ダイレクタ・フィールド軸に沿って細長い分子を含み、前記第１の組の分子のダイレクタ・フィールド軸と前記第２の組の分子のダイレクタ・フィールド軸は両方とも、前記受光した光の方向に直交する、減衰器。
【請求項６】
請求項１記載の減衰器において、前記第１の組の領域は、前記第２の組の領域により受光した光に与えられた位相シフトに対して、ｎπ（ｎは奇数の整数）の位相シフトを、前記受光した光に与える減衰器。
【請求項７】
光減衰を電子的に変化させる方法であって、
液晶領域のアレイの領域の第１の組と第２の組の少なくとも１つの組を間に有する一対の電極を設けるステップであって、前記一対の電極が、前記液晶領域のアレイの共通の表面に平行に配列される成分を有する電界を生じるように、前記共通の表面に沿って配置され、前記第１の組の領域に、前記第２の組の領域が差し込まれており、前記アレイが、向けられた光ビームを受け取るように適応され、前記第１の組の領域が、前記受光した光に応答して第１の回折パターンを生成するように構成され、前記第２の組の領域が、前記受光した光に応答して第２の回折パターンを生成するように構成されている、前記一対の電極を設けるステップと、
前記領域の組の少なくとも１つを通る、前記電極間の電界を変化させて、前記第１の回折パターンと前記第２の回折パターンを生成するステップと、
を含む、光減衰を電子的に変化させる方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、生じる干渉度は前記受光した光の偏光とは無関係である方法。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、前記領域には、ダイレクタ・フィールド軸に沿った細長い分子が設けられ、前記第１の組の分子のダイレクタ・フィールド軸は、前記電界のないときに、前記第２の組の分子のダイレクタ・フィールド軸に直交する、方法。
【請求項１０】
請求項７記載の方法において、前記領域には、ダイレクタ・フィールド軸に沿った細長い分子が設けられ、前記第１の組の分子のダイレクタ・フィールド軸と前記第２の組の分子のダイレクタ・フィールド軸は両方とも、前記電界のないときに前記受光した光の方向に直交して配向される、方法。
【請求項１１】
請求項７記載の方法において、前記第１の組の領域は、前記第２の組の領域により受光した光に与えられた位相シフトに対して、ｎπ（ｎは奇数の整数）の位相シフトを、前記受光した光に与える方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の背景
本発明は、一般には光減衰器に関し、詳細には電子的可変光減衰器に関する。
【０００２】  当該技術分野において既知のように、可変光減衰器は、広範な用途に用いられている。ある電子的に可変の光減衰器は、偏光子、電子的偏光回転子、検光子（analyzer）を含む。光は、最初に、偏光子により、特定の方向に偏光される。電子的偏光回転子は、回転子を通過する光の偏光を、光が減衰器に入射する軸を中心として回転させるように適応する。検光子は、回転子から出ていく光の経路中に配設される。したがって、例えば、一方の極値では、回転子に電圧が印加されておらず、偏光子と検光子が同じ偏光配向を有するとき、光は実質上減衰されずに検光子を通過する。他方、偏光子が、それに入射する光の偏光を検光子に対して９０度だけ回転させるときのような極値では、検光子から出る光は、実質上完全に減衰される。したがって、中間電圧は、これらの２つの極値の間の減衰度を与えることになる。
【０００３】  このような配置構成は、いくつかの用途において役立つこともあるが、約１センチメートル以上のアパーチャを有する高品質の偏光子および減衰器は比較的に高価であって、電力処理能力が比較的制限される。
【０００４】発明の概要
本発明の一特徴によれば、液晶領域アレイを有する電子的可変光減衰器が提供される。第１群（組）内の領域に、第２群内の領域が差し込まれる。このアレイは、軸に沿って向けられた光ビームを受けるように適応されている。一対の電極が備えられる。これらの領域群の少なくとも１つが、この一対の電極の間に配列される。第１群内の領域は、受光した光に応答して第１の回折パターンを生成するように構成され、また第２群内の領域は、受光した光に応答して第２の回折パターンを生成するように構成されている。一対の電極は、この一対の電極の間に配列されたこれらの液晶領域群の少なくとも１つを通して生じた電界に従って選択された軸に沿った干渉度と、第１の回折パターンおよび第２の回折パターンを組み合わせることができるように配置されている。
【０００５】  このような配置構成によって、比較的に低コストで、ハイパワーの電子的可変光減衰器が提供される。
本発明の他の特徴によれば、このアレイ干渉度は、電界がないときに最大となる。
【０００６】  このような配置構成により、フェールセーフ減衰器が提供される。その理由は、電極間に電圧がない場合、この減衰器は最大の減衰を与えるからである。このようなことは、例えば、手術中にレーザ光源が用いられる医療用途において望ましい。このような減衰器では、電力障害があっても、患者へのハイパワーレーザ光の照射が防止される。
【０００７】  本発明のさらに他の特徴によると、干渉度はその受光した光の偏光とは無関係となる。
このような配置構成により、高価な偏光子の要件または特定のレーザ軸要件が排除される。
【０００８】  一実施形態において、液晶領域アレイを有する電子的可変光減衰器が提供される。これらの領域は、複数の領域群（セット）を含み、これらの群のそれぞれは、領域の複数のサブセットを有し、このようなサブセットが、この領域群の中に差し込まれている。このアレイは、軸に沿って向けられた光ビームを受けるように適応されている。一対の電極は、この一対の電極の間に配列されている液晶領域のサブセットの少なくとも１つを備えている。領域の各群のサブセット内の領域は、この受光した光に応答して、対応する回折パターンを生成するように構成されている。この一対の電極は、一対の電極の間に生じた電界に基づいて選択された軸に沿った干渉度と、これらのサブセットの対応する回折パターンを組み合わせることができるように配置されている。
【０００９】  このような実施形態により、比較的に低コストで、またコンパクトなハイパワー電子的可変光減衰器が提供される。
本発明の一実施形態によれば、液晶領域のアレイを有する電子的可変光減衰器が提供される。第１の組（群）内の領域には、第２の組内の領域が差し挟まれている。このアレイは、軸に沿って向けられた光ビームを受けるように適合されている。一対の電極が備えられる。液晶領域の組の少なくとも１つが、これらの電極間に配置される。第１の組内の領域は、その受光した光に応答して、第１の回折パターンを生成するように構成され、また、第２の組内の領域は、その受光した光に応答して、第２の回折パターンを生成するように構成されている。この一対の電極は、その一対の電極の間に配置されたこれらの液晶領域の組の少なくとも１つを通って生じた電界に従って選択された軸に沿った干渉度と、第１の回折パターンおよび第２の回折パターンを組み合わせることができるように配置されている。これらの領域は、ダイレクタ・フィールド軸に沿って細長い液晶分子を含む。第１の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸は、第２の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸に直交する。
【００１０】  １つの特徴によると、第１の組内の光伝搬に直交する平面上への分子のダイレクタ・フィールド軸の投影と、第２の組内の同一平面上への分子のダイレクタ・フィールド軸の投影が両方とも、電極間のある電界強度範囲にわたって、その受光した光の方向に直交する。
【００１１】  別の特徴によると、領域の第１の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸は、電極間の電界の強度が変わると、初期の配向及び光伝搬方向によって画成された第１の平面内で回転し、また、第２の組の領域内の分子のダイレクタ・フィールド軸は、電極間の電界の強度が変わると、第１の平面に直交する第２の平面内で回転する。
【００１２】  一実施形態によると、ゼロの電界では、第１の組内の領域は、第２の組内の領域により、その受光した光に提供される位相シフトに対して、ｎπ（ｎは奇数の整数である）の位相シフトを、その受光した光に提供する。
【００１３】  １つの特徴によると、光の一偏光に対して、一対の電極間に電界がないときに、第１の組内の領域は、第２の組内の領域によりその受光した光に施される位相シフトに対して、ｎπ（ｎは奇数の整数である）の位相シフトを、その受光した光に施すが、一方、光の直交偏光では、この一対の電極間に電界がないときに、第１の組内の領域は、第２の組内の領域によりその受光した光に施される位相シフトに対して、−ｎπ（ｎは奇数の整数である）の位相シフトを、その受光した光に施す。
【００１４】  本発明のさらに他の特徴によると、光減衰を電子的に変化させる方法が提供される。この方法は、一対の電極を備えることを含む。第１の組の液晶領域内の領域には、第２の組の液晶領域が差し挟まれている。この一対の電極の間には、両方の組の液晶領域が配置されている。このアレイは、軸に向けられた光ビームを受けるように適合されている。第１の組内の領域は、その受光した光に応答して第１の回折パターンを生成するように構成され、また第２の組内の領域は、この受光した光に応答して第２の回折パターンを生成するように構成されている。これらの電極間の双方の組の領域を通る電界を変えて、軸に沿って変化する干渉度を有する第１の回折パターンと第２の回折パターンを生成する。
【００１５】  一実施形態では、生じるアレイ干渉度は電界がないときに最大である。
一実施形態では、生じる干渉度はその受光した光の偏光の影響を受けない。これらの領域は、ダイレクタ・フィールド軸に沿って細長い分子を有する。第１の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸は、第２の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸に直交する。
【００１６】  本発明のさらに他の特徴によると、電子的に光減衰を変化させる方法が提供される。この方法は、一対の電極を備えることを含む。第１の組の液晶領域内の領域には、第２の組の液晶領域が差し挟まれている。この一対の電極の間には、液晶領域の組の少なくとも１つが配置されている。このアレイは、軸に沿って向けられた光ビームを受けるように適合されている。第１の組内の領域は、その受光した光に応答して第１の回折パターンを生成するように構成され、また第２の組内の領域は、この受光した光に応答して第２の回折パターンを生成するように構成されている。これらの電極間の領域の組の少なくとも１つを通る電界を変えて、軸に沿って変化する干渉度を有する第１の回折パターンと第２の回折パターンを生成する。これらの領域は、ダイレクタ・フィールド軸に沿って細長い分子を有する。第１の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸は、第２の組内の分子の固定ダイレクタ・フィールド軸に対して回転する。
【００１７】  一実施形態によると、第１の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸と第２の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸は両方とも、受光した光の方向に直交する方向に配向される。第１の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸と、第２の組内の分子のダイレクタ・フィールド軸は両方とも、これらの電極間のある電界強度範囲にわたって、受光した光の方向に直交する方向に配向される。
【００１８】  一実施形態によると、第１の組内の領域は、第２の組内の領域によりその受光した光に施される位相シフトに対して、ｎπ（ｎは奇数の整数である）の位相シフトを、その受光した光に施す。第１の組内の領域は、この一対の電極間に電界がないときに、第２の組内の領域によりその受光した光に施される位相シフトに対して、ｎπ（ｎは奇数の整数である）の位相シフトを、その受光した光に施す。
【００１９】  本発明自体とともに、本発明の上記および他の特徴が、添付図面と関連する以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。
好適な実施形態の説明
ここで、図１を参照すると、電子的可変光減衰器１０が示されている。電子的可変光減衰器１０は、一対の透明な（すなわち、光学的に透過性）基板１２、１４、ここでは平面状のガラス板（シート）を含む。基板１２、１４の内面上には、導電性の光学透過材料の層がコーティングされ、一対の透明な電極１６、１８を提供する。ここでは、この導電材料は、例えば、蒸着した酸化インジウムスズであってもよい。したがって、電極１６、１８はそれぞれ、透明な基板１２、１４の内面上にある。電極１６、１８上には、薄いポリイミド材料層２０、２２が設けられる。ポリイミド材料層２０、２２の間には、液晶材料または分子２４が設けられる。したがって、層２０と２２の間の空間は、液晶分子２４、例示として、いわゆる「ネマチック」相の長くて薄い、棒状の有機分子で満たされる。これらの分子は、ダイレクタ（ディレクタ）場（フィールド）軸に沿って細長い。液晶分子２４は、図示されるように、ハウジング２９によって、減衰器１０内に収容される。
【００２０】  ポリイミド層２０、２２は、ポリイミド層２０、２２と隣接する分子のダイレクタ・フィールド軸の配向（向き）を初期化するように処理される。ここでは、ポリイミド層２０と隣接する分子２４のダイレクタ・フィールド軸（ベクトル２１で示される）は、層２０の表面に垂直に（すなわち、ベクトル２１）配向（配列）されるか、あるいは、層２０と隣接する細長い分子２４がＹ軸（ここでは、減衰器１０に入射する光の方向であり、この場合、このような光の方向は、矢印２５で示される）に沿って配向される。このような配向（配列）は、ホメオトロピック配向である。このような配向は、当技術分野で既知の技法によって得られる。
【００２１】  ポリイミド層２２の内面と隣接する分子２４のダイレクタ・フィールド軸は、差し込まれた群（組）２６、組２８として配置される。さらに具体的に言えば、層２２の内面と隣接する分子２４は、交互の（１つおきの）組、すなわち組２６、組２８内に配置される。第１の組２６内の分子２４には、第２の組２８内の分子２４が差し込まれている。ここでは、組２６内の分子２４は、それらのダイレクタ・フィールド軸（矢印３０で表わされる）が、ポリイミド層２２の表面に平行に、図１の平面から外に向けられている。すなわち、組２６内の分子２４は、それらのダイレクタ・フィールド軸３０が、Ｘ−Ｙ平面内に配置され、図１に示されるＺ軸に沿って方向付けられている。すなわち、図１を参照すると、層２０、２２の内面（それゆえ、基板２０、２２と電極１２、１４）は、Ｘ−Ｚ平面内にあり、また光が、Ｙ軸に沿って（すなわち、矢印２５で表わされる方向に沿って）向けられる。
【００２２】  最初に、無電圧であり、それゆえ、電極１２と１４の間に電界がないような状態を考えると、層２２と隣接する、第２の組２８内の分子２４のダイレクタ・フィールド軸（矢印３２で表わされる）は、図１に示されるＸ軸に沿って配向される。すなわち、組２８内の、層２２に隣接する分子２４のダイレクタ・フィールド軸は、Ｘ−Ｚ平面に直交する。すなわち、矢印３２で示される、組３０内の分子のダイレクタ・フィールド軸は、図１のＸ軸に沿って向けられる。
【００２３】  したがって、電子的可変光減衰器１０は、液晶領域アレイを有する。第１の組２６内の領域には、第２の組２８の領域が差し込まれている。それぞれの組２６、組２８で占められる面積は、全体の利用可能な表面積の約５０パーセントである。選択されたパターンは、回折パターンの形状を画成（規定）する（効率はどうであれ、どの方向にビームがいくつあるか）。このアレイは、軸２５に沿って向けられた光ビームを受け取るように適応されている。一対の電極１２、１４が備えられる。この一対の電極１２と１４の間に、組２６、組２８の少なくとも１つが配置される。ここでは、この一対の電極１２と１４の間に、組２６、組２８が両方とも配置されている。
【００２４】  次に、図２を参照すると、電極１２と１４の間で、組２６、組２８を通って生じる電界がない場合、第１の組２６内の領域は、受光した光に応答して第１の回折パターン４０を生成するように構成され、また、第２の組２８内の領域は、受光した光に応答して第２の回折パターン４２を生成するように構成されている。光の方向に沿って（すなわち、Ｙ軸すなわち軸２５に沿って）、この組２６を通過する光の位相は、組２８を通過する光に対して、ｎπラジアン（ｎは奇数の整数）だけ位相がずれることが注目される。したがって、順方向で、かつ電界がないときに、図２ｄに示されるように、組２６を通過する光と、組２８を通過する光との間に相殺的な（弱め合う）干渉がある。軸２５から離れて、軸２５’、２５”に沿って建設的な（強め合う）干渉があり、その場合、このような軸２５’、２５”は、図２に示されるように、軸２５から±θの角度だけずれることが注目される。
【００２５】  さらに具体的には、この場合も図１を参照して、光が、常（正常）成分ｏと直交異常成分ｅを有し両成分がＸ−Ｚ平面内にある、ランダムに偏光されたものと考える。電極１２と１４の間に電界がない場合を再び考察する。最初に、正常成分ｏに及ぼす組２６、組２８の影響を考察すると、正常成分ｏは、屈折率ｎ1で組３２内の分子と相互に作用し、また、屈折率ｎ0で組３０内の分子と相互に作用することが注目される。ここで、ｎ0＜ｎ1であり、また、屈折率の合計差Δｎ＝ｎ1−ｎ0がｎπである。次に、異常成分ｅに及ぼす組２６、組２８の影響を考察すると、異常成分ｅは、屈折率ｎ1で組３０内の分子と相互に作用し、また、屈折率ｎ0で組３２内の分子と相互に作用することが注目される。ここで、ｎ0＜ｎ1であり、また、屈折率の合計差Δｎ＝ｎ1−ｎ0がｎπである。それゆえ、図２を参照すると、Ｙ−Ｚ平面内で、Ｙ軸に沿って、かつ、一対の電極１２と１４の間に電界がないときに、光のうち、組３０を通過する部分の回折パターン４０は、図２および図２Ｄに示されるように、組３２を通過する光部分の回折パターン４２と弱め合う干渉を起こすことになる。図２および図２Ａに示されるように、Ｙ軸から±θの角度だけずれている軸２５’、軸２５”に沿って、この通過光の最大値が現れることが注目される。
【００２６】  他の極値では、これらの電極間に全電圧が印加されるときに（すなわち、Ｖapplied＝Ｖmax）、分子２６および２８の長いダイレクタ・フィールド軸は、図３Ｃに示されるように、Ｙ軸に向かって回転する。さらに具体的に言えば、このような電界状態では、ベクトル３２は、Ｘ軸からＹ軸に沿うように、矢印５０の方向にＸ−Ｙ平面内で回転する。同様に、このような電界状態では、ベクトル３０は、Ｚ軸からＹ軸に沿うように、矢印５２の方向にＹ−Ｚ平面内で回転する。中間の場合（ＶMAX＞ＶAPPLIED＞０）のベクトル３０、３２が、図３Ｂに示され、ゼロ印加電界ＶAPPLIED＝０の状態が図３Ａに示されている。したがって、最大の電界状態では、すべての体積分子のダイレクタ・フィールド軸が、Ｙ軸に沿って配向され、また、その結果として、あらゆる領域の全体にゼロの位相差を生じ、さらに、図２Ｆに示されるように、光伝搬方向に沿った回折光成分４０、４２が強め合う干渉をする一方で、図２Ｃに示されるように、オフアクシス（軸外れ）成分が弱め合う干渉をする。
【００２７】  全電圧が電極１２、１４に印加される状態と、正常成分ｏと直交異常成分ｅの両成分がＸ−Ｚ平面内にあるような光がランダムに偏光される状態を、次に考察する。最初に、正常成分ｏに及ぼす組２６、組２８の影響を考察すると、正常成分ｏは、屈折率ｎ0で組３２内の分子と相互に作用し、また、屈折率ｎ0で組３０内の分子と相互に作用することが注目される。次に、異常成分ｅに及ぼす組２６、組２８の影響を考察すると、異常成分ｅは、屈折率ｎ0でＹ軸とも整列させられる、組３０内の分子と相互に作用し、また、屈折率ｎ0で、組３２内の分子と相互に作用することが注目される。したがって、Δｎ＝０であり、また、その結果生じる位相シフトは、正常成分ｏおよび異常成分ｅに対してゼロである。
【００２８】  更に図２Ａ〜図２Ｆを参照する。ここで、図２Ｃを参照すると、このような図２Ｃは、ＶAPPLIED＝ＶMAXのために、領域２６、領域２８の全体に、位相シフトφ＝０となるような状態を示している。したがって、図２Ｃに示されるように、オフアクシス方向２５’および２５”に沿ってゼロの合成光学フィールドがあり、また、図２Ｆに示されるように、方向２５（Ｙ軸）に沿って最大の光電界がある。領域２６、領域２８の全体の位相シフトが、０＜φ＜π（すなわち、ＶMAX＞ＶAPPLIED＞０）である状態は、太い実線矢印ＲB、ＲEでそれぞれ示されるように、非ゼロの合成光学フィールドを両方とも、オフアクシス方向２５’および２５”に沿って（図２Ｂ）、また伝搬方向２５に沿って（図２Ｅ）与えるように、成分４０および成分４２を部分的に合計させる。最大位相シフトφ＝π（すなわち、ＶAPPLIED＝０）の事例は、最大の合成光学フィールドＲAがあるオフアクシス方向２５’および２５”に関しては、図２Ａに示されており、また、ゼロの合成光学フィールドＲ＝０がある伝搬方向２５に関しては、図２Ｄに示されている。
【００２９】  組４０と組４２内のあらゆる放射要素の強め合う干渉から、光学フィールド・ベクトルＲが生じる。２つのオフアクシス方向２５’および２５”に対する合成光強度（矢印Ｒの長さの平方に比例する）は、図４および図５に点線の曲線として描かれている。伝搬方向２５（Ｙ軸）における合成光強度は、図４と図５に実線の曲線として描かれている。オンアクシス光強度は、位相シフトの関数として、すなわち、ＶAPPLIEDを０からＶMAXボルトまで変化させると、連続的に変化することが注目される。
【００３０】  したがって、少し考えれば、この一対の電極１２、１４は、この一対の電極１２、１４間に生じた電界に基づいて選択されたＹ軸に沿った干渉度と、第１の回折パターン４０および第２の回折パターン４２を組み合わせることができるように配置されることが明らかになろう。
【００３１】  別の言い方をすれば、動作の際、このアレイは、軸（ここでは、Ｙ軸）に沿って向けられた光ビームを受け取るように適合されている。第１の組３０内の領域は、その受光した光に応答して、第１の回折パターン４０を生成するように構成され、また第２の組３２内の領域は、この受光した光に応答して第２の回折パターン４２を生成するように構成されている。電極１２と１４の間の電界を変えて、図２Ｅに示されるように、Ｙ軸に沿って変化する様々な干渉度を有する第１の回折パターン４０および第２の回折パターン４２を生成する。Ｙ軸に沿って生じる弱め合う干渉の程度は、図２Ｄに示されるように、電界がないときに最大であり、また、図２Ｆに示されるように、最大の電界において、Ｙ軸に沿って完全に強め合う干渉となる。
【００３２】  したがって、伝搬方向（Ｙ軸）に対して、また光の任意の波長に対して、減衰器１０は、電子的に可変の「中性濃度」フィルタとして、適正に機能する。２つのオフアクシス方向２５’と２５”で、かつさらに高次オーダ（±θ，±３θ，±５θなどの角度）で回折される光は、吸収ビーム・ダンプに向けられる。減衰器１０は、ハイパワー処理能力を提供する。なぜなら、必要に応じてエネルギー密度を下げるために、そのアパーチャをスケールアップできるからである。記載されるように、減衰器１０は、交互領域３０および３２により提供された等しい幅のオン／オフ位相パターンである、できる限り単純な位相シフト格子パターンを利用している。減衰器１０は、偏光されていない光に作用する。なぜならば、領域３０が、１つの偏光で領域３２に対して位相シフトを示すときに、領域３０に対する領域３２は、直交偏光では、等価な位相シフトを示すからである。それゆえ、生じた干渉度は、受光した光の偏光の影響を受けない。
【００３３】  次に、例えば、図６Ａと図６Ｂを参照すると、偏光を必要とする他の電子的可変減衰器１０’が示されている。この光は、Ｙ軸に沿って向けられ、また、図６に示されるように、Ｘ軸に沿って直線偏光される。ここではさらに、液晶分子２４は、２つの交互配置（インターリーブ）の組３０、３２内に配置され、これらの液晶分子は、図６Ｂにおいて、電界の影響を受けることは明らかである。電界が印加されていなければ、組３０および組３２は、Ｘ−Ｚ平面内の同一配向がＸ軸と平行になり、その結果、図６Ａに示されるように、正味位相シフトがゼロとなる。一様な位相から、伝搬方向（Ｙ軸）に沿った最大の強度、およびオフアクシスの方向に回折されるゼロの強度が得られる。（φ＝０の場合の強め合う干渉および弱め合う干渉は、それぞれ、図２Ｆと図２Ｃに示されるものと同一である。しかしながら、図２Ａ〜図２Ｆに示される電圧レベルは、これ以降の段落で論じられる減衰器１０’ではなく、減衰器１０の事例だけに関わることに留意すべきである）。分子２４の下端領域にわたって電極１４が１つあり、また、分子２４の組３０、組３２の一方のみにわたって、ここでは、分子２４の組３０にわたって、間隔をかけた電極１２’がある。この相隔たる電極１２’は、可変電圧源Ｖの正（＋）電位に接続され、また、電極１４は、このような電圧源Ｖの負（−）電位に接続される。この電圧が印加されると、これらの電極のもとでのＬＣ分子のダイレクタ軸、すなわち組３０は、Ｘ−Ｙ平面内で、ＶAPPLIED＝０でのＸ軸配向から、上向きにＹ軸の方へ回転し、またＶAPPLIED＝ＶMAXでは、組３０は、Ｙ軸と平行に配向されて、実効屈折率ｎ0が得られる。Ｘ軸配向が、この偏光と平行になった状態で、組３２は不変のままであり（電界がないため）、これにより、組３２に対して屈折率ｎ1が与えられる。ＶAPPLIED＝ＶMAXの状態が、図６Ｂに示されている。ここで、屈折率の合計差Δｎ＝ｎ1−ｎ0から、相対位相シフトπ、またはその奇数倍が得られる。ＶAPPLIED＝ＶMAXでは、φ＝πの状態から、伝搬方向（Ｙ軸）に沿ったゼロの強度と、オフアクシス方向に回折される最大の強度が得られる（それぞれ、図２Ｄと図２Ａに対応する）。したがって、液晶領域３０、３２のアレイが存在する。第１の組内の領域（すなわち、領域３０）には、第２の組の領域（すなわち、領域３２）が差し込まれている。さらに、一対の電極１２’間には、領域３０、３２の組の少なくとも１つが配置される（すなわち、この一対の電極１２’間には、領域３０が配置されている）。組３０内の領域は、受光した光に応答して第１の回折パターンを生成するように構成され、また、組３２内の領域は、受光した光に応答して第２の回折パターンを生成するように構成されている。
【００３４】  標準の配向が装置表面とほぼ平行である（ホモジニアス配向）ネマチック液晶分子を利用する装置は、偏光感応装置である。すなわち、この実効屈折率は、偏光ベクトルが、液晶分子の長軸（ダイレクタ・フィールド軸）と平行であるときに最大である。それゆえ、減衰器１０’の偏光性は、厳密に、領域３０、３２のダイレクタ・フィールドの配向の関数である（また、この偏光性は、図６において、電極パターン１２’のレイアウトの影響を受けない）。減衰器１０’を、偏光されてない光で機能させるために、２つの装置を、直交ダイレクタ・フィールド軸領域で使用でき、例えば、第１の装置では、領域３０、３２を図６ＡのＸ軸と平行に、また第２の装置では、領域３０、３２を図６ＡのＺ軸と平行にして使用できる。
【００３５】  次に図７を参照すると、別の電子的可変減衰器１０”が示されている。この減衰器も、直線偏光に適している。電圧を印加しないで、液晶分子２４のダイレクタ・フィールド軸は、任意の、ただし一様な配向を有することもある。（ＶAPPLIED＝０の図は示されていない）。電圧を印加すると、この場合も、図示されるように交互配置の液晶分子２４の組３０、組３２が生じる。ここでは、相隔たる電極１２”は、この印加電圧の−電位に接続され、また、電極１４”は、この印加電圧の＋電位に接続される。これにより、隣り合った対の電極間に生じた電界線は、矢印１００で示される。その結果として得られた分子２４のダイレクタ・フィールド軸は、矢印１０２で示される。この対の隣り合った電極１２”、１４”のもとに、結果的に得られたダイレクタ・フィールド軸は、Ｙ軸と平行に、対向する垂直配向にあり、すなわち、Ｙ軸に沿って伝搬する光に対して、実効屈折率ｎ0で、一方が上を向き、また他方は下を向く。この対の隣り合った電極１２”、１４”間の領域内に結果的に生じたダイレクタ・フィールド軸は、Ｘ軸と平行に、水平であり、すなわち、Ｘ軸に沿った直線偏光された光に対して、実効屈折率ｎ1で、一方が左を向き、また他方は右を向く。したがって、液晶領域３０、３２のアレイが存在する。第１の組内の領域（すなわち、領域３０）には、第２の組内の領域（すなわち、領域３２）が差し込まれている。さらに、領域３０、３２の組の少なくとも１つが、一対の電極１２”、１４”間に配置される（すなわち、領域３２が、この一対の電極１２”、１４”間に配置されている）。組３０内の領域は、受光した光に応答して第１の回折パターンを生成するように構成され、また、組３２内の領域は、受光した光に応答して第２の回折パターンを生成するように構成されている。
【００３６】  減衰器１０”の偏光性は、図７において、厳密に電極パターン１２”、１４”のレイアウトの関数である（また、この偏光性は、分子２４のゼロ電圧ダイレクタ・フィールドの配向の影響を受けない）。減衰器１０”を、偏光されない光で機能させるために、２つの直交電極パターンを、単一のセル上に使用でき、例えば、第１の電極パターン１２”、１４”を、Ｚ軸と平行に、上部セル表面上に（図７に描かれるように）、また、等価な第２の電極パターン（図７には図示されない）を、Ｘ軸と平行に、下部セル表面上に使用できる。
【００３７】  次に、図８を参照すると、別の光減衰器１０’’’が示されている。ここでは、光減衰器１０’’’は、図８Ａに示されるように、液晶２４の上面に沿って周期的に繰り返される複数（ここでは４つ）の電極１２ａ1〜１２ａ4；１２ｂ1〜１２ｂ4、．．．の組と、下部表面上の共通基準電極１４’’’を有している。電圧ＶAPPLIEDを、各組（すなわち、電極１２ａ1、１２ｂ1．．．）内の第１の電極に直接に送って、ダイレクタ・フィールドの配向３０ａ1、３０ｂ1．．．で、分子２４の第１の成分を生じさせる。電圧ＶAPPHEDを、第１の電圧増分＋ΔＶで、各組（すなわち、電極１２ａ2、１２ｂ2．．．）内の第２の電極に送って、ダイレクタ・フィールドの配向３０ａ2、３０ｂ2．．．で、分子２４の第２の成分を生じさせる。電圧ＶAPPLIEDを、第２の電圧増分＋２ΔＶで、各組（すなわち、電極１２ａ3、１２ｂ3．．．）内の第３の電極に送って、ダイレクタ・フィールドの配向３０ａ3、３０ｂ3．．．で、分子２４の第３の成分を生じさせる。さらに、電圧ＶAPPLIEDを、第３の電圧増分＋３ΔＶで、各組（すなわち、電極１２ａ4、１２ｂ4．．．）内の第４の電極に送って、ダイレクタ・フィールドの配向３０ａ4、３０ｂ4．．．で、分子２４の第４の成分を生じさせる。したがって、各組内の４つの電極の両端の電圧は、４段階の増分電圧であって、図８Ｂに示されるように、これらの組（ＳＥＴ1、ＳＥＴ2、．．．）のそれぞれのもとに、分子２４の全域で、４レベル量子化されたランプ（傾斜面）状の位相変化φをもたらす。それゆえ、これらの組（ＳＥＴ1、ＳＥＴ2、．．．）のそれぞれは、複数のサブセット（すなわち、組ＳＥＴ1では、３０ａ1、３０ａ2、３０ａ3、３０ａ4のサブセット、組ＳＥＴ2では、３０ｂ1、３０ｂ2、３０ｂ3、３０ｂ4のサブセットなど）を含むことが注目される。
【００３８】  このような傾斜した位相φでは、主回折出力ビームが１つだけ生じ、また、このようなビームは、入射する光ビームの方向から＋θの角度だけ逸れて生じる。したがって、図８Ｃを参照すると、印加電圧がゼロであるときに、入射光Ｉは、軸２６（減衰器１０’’’の表面１０２に垂直である（図８Ａ））に沿って通過する。しかしながら、減衰器１０’’’に電圧が印加されて、図８Ｂに示されるランプ状の位相φが生じるときには、その入射光は、図８Ｃに示されるように、軸２７にも沿って出射するように分割される。
【００３９】  次に、図９（図２Ａ〜図２Ｆに描かれた２レベルの場合と類似の４レベルの場合を描いている）を参照すると、ＳＥＴ1、ＳＥＴ2、．．．の組内の３０ａ1、３０ｂ1、・・・の領域の光フィールドの寄与がコヒーレントに加わって、４０’で示される第１の光学フィールド成分を与える。ＳＥＴ1、ＳＥＴ2、．．．の組内の３０ａ2、３０ｂ2、．．．の領域の光学フィールドの寄与がコヒーレントに加わって、図９に４１’で示される第２の光学フィールド成分を与える。ＳＥＴ1、ＳＥＴ2、．．．の組内の３０ａ3、３０ｂ3、．．．の領域の光学ブイールドの寄与がコヒーレントに加わって、図９に４２’で示される第３の光学フィールド成分を与える。さらに、ＳＥＴ1、ＳＥＴ2、．．．の組内の３０ａ4、３０ｂ4、．．．の領域の光学フィールドの寄与がコヒーレントに加わって、４３’で示される第４の光学フィールド成分を与える。図９の例では、これらの４組の成分は、以下のように、ＳＥＴ1、ＳＥＴ2、．．．の電極の組に印加された電圧に基づいて、方向２６、２７（図８Ｃ）に、受光した光に応答して回折パターンを生成するように構成されている。すなわち、ＶAPPLIED＝ＶMAX（ここで、ＶMAX＝ＶMX＋３ΔＶMX）であり、かつ、オフアクシス方向２７を考慮に入れると、４つの光学フィールド成分４０’、４１’、４２’、４３’が強め合うように干渉して、図９Ａに示されるように、最大のオフアクシス・フィールド・ベクトルＲ’Ａを与えるが、一方、同一電圧にて、伝搬方向２６において、これらの４つの成分が、図９Ｄに示されるように弱め合うように加わる（Ｒ＝）。ＶAPPLIED＝０であって、この場合も、オフアクシス方向２７を考慮に入れると、これらの４つの光学フィールド成分４０’、４１’、４２’、４３’が弱め合うように干渉して、図９Ｃに示されるように、Ｒ＝０を与えるが、一方、ＶAPPLIED＝０にて、伝搬方向２６において、これらの４つの成分が強め合うように加わって、図９Ｆに示されるように、全入力強度Ｉ（Ｒ2に比例する）を与える。０＜ＶAPPLIED＜ＶMAXの場合は、方向２７および方向２６に対して、それぞれ図９Ｂと図９Ｅに示されている。したがって、これらの電極は、それぞれの対の電極間に配置された各組の液晶領域を通って生じた電界に基づいて選択された軸に沿った干渉度と、これらの回折パターンを組み合わせることができるように配置されている。これらの領域は、ダイレクタ・フィールド軸に沿って配向された液晶分子を含む。電界がないときには、これらの組内の分子のダイレクタ・フィールド軸はすべて、光伝搬に直交する平面内で平行に配向される。
【００４０】  減衰器１０’’’の偏光性は、厳密に、３０ａi、３０ｂi、．．．の領域のダイレクタ・フィールドの配向の関数である（また、この偏光性は、図８Ａにおいて、電極パターン１２ａi、１２ｂi、．．．のレイアウトの影響を受けない）。減衰器１０’’’を偏光されない光で機能させるために、減衰器１０’について述べられるように、２つの装置を直交ダイレクタ・フィールド軸領域で使用できる。
【００４１】  減衰器１０’’’は、前の実施例で述べられた４つの位相量子化レベルよりも多くのレベルを用いて、高い回折効率を得ることができる。高い回折効率は、オンアクシス（軸上）で伝搬するビームではなくて、減衰した作用ビームとして、回折したオフアクシス・ビームを使用する代替選択をもたらす。ＶAPPLIE＝０の場合に、オフアクシス・ビーム強度がゼロであるから、オフアクシス動作モードは、固有のフェールセーフ動作を与える。減衰した作用ビームの方向を、入力ビーム方向と平行に保つために（図１０Ａの２６）、２つの減衰器１０ａ’’’と１０ｂ’’’を直列に位置づけることができる。ここでは、第１の装置は、作用ビームをオフアクシス方向に回折させ（図１０Ａの２７）、また第２の装置は、この作用ビームを、オフアクシス方向から受け取って、それを入力方向と平行に送り出す（図１０Ａの２６’）。直列にしたタイプ１０’’’の４つの減衰器は、図１０Ｂおよび図１０Ｃに描かれるように、ビームに、平坦な四面体形状のビーム偏向経路をたどらせることで、減衰した出力ビーム用の入力ビーム軸方向を維持する（すなわち、この出力ビームは、この入力ビームと同じ軸上で伝搬する）ように構成できる。４減衰器構成のビーム経路中に、切換え可能なビームブロック１１、１１’を追加すれば、オフアクシス（図１０Ｂ）またはオンアクシスの減衰モード（図１０Ｃ）を交互に使用できる。
【００４２】  減衰器１０’、１０’’（および、１０’’’）は、オンアクシス方向（図１０の２６）でフェールセーフではない。すなわち、この入力ビームは、ＶAPPLIE＝０の場合に、減衰されずに送られる。フェールセーフ動作では、図１１に示されるように、二値回折格子を基板１２’にエッチングすることができる。このような二値回折格子の設計は、当業界では既知のものである。固定的（スタティック）格子は、電子的可変格子の回折角度に合わされて、その可変格子により完全に補償できる。このような予防策は、前のパラグラフで述べられたオフアクシス動作モードでの減衰器１０’’’には適切でないであろう。
【００４３】  前に述べられた構成をさらに変更することで、減衰器１０’、１０’’、１０’’’が偏光の影響を受けないようにできることが、当業者には明らかであろう。
【００４４】  本明細書中に論じられる液晶分子は、（液晶ＢＨＤＥ７と同様に）印加電界と平行に配向したネマチック液晶分子を用いるが、印加電界に垂直に配向した、逆の異方性を有する他の液晶タイプがある。上記または他の液晶タイプを代用し、ビーム偏光および液晶配向層を適切に変更して、本発明の原理と一致した減衰器を製作できることは、当業者には明らかであろう。
【００４５】  他の実施形態は、特許請求項の精神および範囲に入るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による電子的可変光減衰器の等角略図である。
【図２】  図２は、図１の減衰器を通過する光部分の回折パターンであって、全電圧条件および無電圧のフェールセーフ条件のもとに、様々な方向に沿って示される回折パターンを示す図である。図２Ａ〜図２Ｆは、図１の減衰器に対して、様々な印加電圧における合成光学フィールドを示す図であり、また図２Ａ〜図２Ｃは、光伝搬の方向から鋭角で回折した合成光学フィールドを示しており、ここで、図２Ａは、印加電圧Ｖが０の場合であり、図２Ｂは、印加電圧Ｖがゼロ〜ＶMAXにある場合であり、図２Ｃは、印加電圧ＶがＶMAXである場合である。図２Ｄ〜図２Ｆは、光伝搬の方向に沿った合成光学フィールドを示している。ここで、図２Ｄは、印加電圧Ｖが０の場合であり、図２Ｅは、印加電圧Ｖがゼロ〜ＶMAXにある場合であり、図２Ｆは、印加電圧ＶがＶMAXである場合である。
【図３】  図３Ａ〜図３Ｃは、３つの異なる印加電圧のもとに、図１の減衰器内の液晶分子のダイレクタ・フィールド・ベクトルの方向を示す図である。
【図４】  πの単位で表わす、図１の減衰器の種々の部分間の光の位相差の関数として、図１の減衰器を通るパワー透過率間の関係を示す線形スケール・プロットである。
【図５】  πの単位で表わす、図１の減衰器の種々の部分間での光の位相差の関数として、図１の減衰器を通るパワー透過率間の関係を示す対数スケール・プロットである。
【図６】  図６Ａおよび図６Ｂは本発明の他の実施形態による電子的可変光減衰器を示しており、図６Ａは印加電界がゼロである上記減衰器を示し、図６Ｂは印加電界が最大である減衰器を示す。
【図７】  本発明のさらに他の実施形態による電子制御可能な光減衰器の図である。
【図８】  図８Ａは、本発明のさらに他の実施形態による電子制御可能な光減衰器の図である。図８Ｂおよび図８Ｃは、図８Ａの減衰器の動作を理解するのに役立つ概念図である。
【図９】  図９Ａ〜図９Ｆは、図８の減衰器に対して、様々な印加電圧における合成光学フィールドを示す概念図であり、また図９Ａ〜図９Ｃは、光伝搬の方向から鋭角で回折した合成光学フィールドを示しており、ここで、図９Ａは、印加電圧Ｖ＝ＶMAXの場合であり、図９Ｂは、印加電圧Ｖがゼロ〜ＶMAXにある場合であり、図９Ｃは、印加電圧Ｖ＝０である場合である。図９Ｄ〜図９Ｆは、光伝搬の方向に沿った合成光学フィールドを示している。ここで、図９Ｄは、印加電圧Ｖ＝ＶMAXの場合であり、図９Ｅは、印加電圧Ｖがゼロ〜ＶMAXにある場合であり、図９Ｆは、印加電圧Ｖがゼロである場合である。
【図１０】  図１０Ａは、図８による２つの減衰器を利用する電子制御可能な光減衰器システムの図である。図１０Ｂおよび図１０Ｃは、図８による４つの減衰器を利用する電子制御可能な光減衰器システムの図である。
【図１１】  静的回折格子を組み込んだ、図６、図７、または図８による電子制可能な光減衰器の図である。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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