(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が通過しうる材質からなり、第一平面と、前記第一平面と直交する第二平面と、前記第一平面及び前記第二平面に対して傾斜した傾斜面とを有する柱状の傾斜部材と、
裏面が前記傾斜面に装着された偏光スイッチング素子と、
前記偏光スイッチング素子の表面に装着されたミラーと、
前記第二平面に装着された偏光グレーティングとを備え、照射された光ビームのスイッチングを行う光ビームスイッチング素子であって、
前記偏光スイッチング素子は、一対の透明電極の間に挟まれたポリマー安定化ブルー相液晶を備え、
前記偏光グレーティングは、複屈折を生じさせるダイレクターを有することを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光ビームスイッチング素子であって、
前記偏光グレーティングは、照射された光ビームに対して半波長板として作用することを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光ビームスイッチング素子であって、
光が通過しうる材質からなり、前記偏光グレーティングが装着された面に装着される装着面と、前記装着面と平行な出光面を有するエレメント本体と、
前記出光面に複屈折を生じさせて集光させる集光用ダイレクターを有する集光型偏光グレーティングが設けられた柱状の補正エレメントが装着されてなることを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項４】
請求項３に記載の光ビームスイッチング素子であって、
前記集光型偏光グレーティングは、前記集光用ダイレクターの波長が、照射された光ビームの角度と出光する光ビームの角度が対称となるように形成されていることを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の光ビームスイッチング素子であって、
前記集光用ダイレクターは、基準位置では半波長板となる波長を有し、前記基準位置から対称となるように外側に向けて徐々に周期が短くなるように形成されていることを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子において、
光ビームが通過する各面に無反射コートが形成されていることを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項７】
請求項１に記載の光ビームスイッチング素子において、
前記ミラーは誘電体多層膜ミラー又は金属ミラーであることを特徴とする反射型光ビームスイッチング素子。
【請求項８】
請求項３〜７のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子を第１組の光ビームスイッチング素子とし、
前記第１組の光ビームスイッチング素子に、請求項３〜７のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子を第Ｍ組（Ｍは２以上の整数）として連結してなる光ビームスイッチング素子組立体であって、
連結は、被連結側の前記出光面に連結側の前記第一平面を装着して行い、
前記第Ｍ組の光ビームスイッチング素子の前記ダイレクターの波長が前記第１組の光ビームスイッチング素子の前記ダイレクターの波長の１／２Ｍ−１に形成されていることを特徴とする光ビームスイッチング素子組立体。
【請求項９】
請求項３〜７のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子を第１組の光ビームスイッチング素子とし、
前記第１組の光ビームスイッチング素子に、請求項３〜７のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子を第Ｍ組（Ｍは２以上の整数）として連結してなる光ビームスイッチング素子組立体であって、
連結は、被連結側の前記出光面に連結側の前記第一平面を装着して行い、
ＸＹＺ座標系において、ＸＹ平面に平面的に配列してなることを特徴とする光ビームスイッチング素子組立体。
【請求項１０】
請求項３〜７のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子を第１組の光ビームスイッチング素子とし、
前記第１組の光ビームスイッチング素子に、請求項３〜７のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子を第Ｍ組（Ｍは２以上の整数）として連結してなる光ビームスイッチング素子組立体であって、
連結は、被連結側の前記出光面に連結側の前記第一平面を装着して行い、
ＸＹＺ座標系において、前記第１組の光ビームスイッチング素子をＸＹ平面上に配置し、前記第２組の光ビームスイッチング素子をＸＹ平面から起立させてＺ方向に向けた状態で配列してなることを特徴とする光ビームスイッチング素子組立体。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子組立体において、
前記補正エレメントが、前記装着面と前記出光面が垂直に配置され、前記装着面と前記出光面に対して傾斜する補正用傾斜面が設けられ、前記集光型偏光グレーティングが前記補正用傾斜面に装着されるとともに、前記集光型偏光グレーティングの表面に補正用ミラーが装着されたものであることを特徴とする光ビームスイッチング素子組立体。
【請求項１２】
請求項８〜１０のいずれか一項に記載の光ビームスイッチング素子組立体において、
前記補正エレメントに換えて、前記装着面と前記出光面に一対の凸レンズの凸面を突き合わせてなるレンズ型補正エレメントを配置してなることを特徴とする光ビームスイッチング素子組立体。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光ビームスイッチング素子組立体において、
前記凸レンズは、蒲鉾形（ｓｅｍｉｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）に形成されていることを特徴とする光ビームスイッチング素子組立体。
【請求項１４】
光が通過しうる材質からなり、第一平面と、前記第一平面と平行な第二平面と、前記第一平面及び前記第二平面の間に配置され、前記第一平面及び前記第二平面に対して傾斜した傾斜面とを有する柱状の傾斜部材と、
前記傾斜面に装着された偏光スイッチング素子と、
前記第二平面に装着された偏光グレーティングとを備え、照射された光ビームのスイッチングを行う光ビームスイッチング素子であって、
前記偏光スイッチング素子は、一対の透明電極の間に挟まれたポリマー安定化ブルー相液晶を備え、
前記偏光グレーティングは、複屈折を生じさせるダイレクターを有することを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光ビームスイッチング素子であって、
前記偏光グレーティングは、照射された光ビームに対して半波長板として作用することを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の光ビームスイッチング素子であって、
光が通過しうる材質からなり、前記偏光グレーティングが装着された面に装着される装着面と、前記装着面と平行な出光面を有するエレメント本体と、
前記出光面に複屈折を生じさせて集光させる集光用ダイレクターを有する集光型偏光グレーティングが設けられた柱状の補正エレメントが装着されてなることを特徴とする光ビームスイッチング素子。
【請求項１７】
請求項１又は請求項１４に記載の光ビームスイッチング素子の制御方法であって、
前記透明電極に印加する電圧の極性を反転させる反転処理を行うことを特徴とする光ビームスイッチング素子の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームスイッチング素子、その組立体、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の液晶位相パネルの一例である（非特許文献１）。これは、二枚の平行平板電極１１の間にネマティック液晶１２を挿入したものである。また、当該液晶位相パネルは、Ｚｅｒｏ−ｔｗｉｓｔｅｄ  ＥＣＢ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）であり、二枚の平行平板電極に電圧を印加しない場合は、液晶のダイレクターが平板電極に対して平行に配列しており、入射した光はリターデーションを受ける。【０００３】
このとき、当該液晶位相パネルについて、所望の液晶厚さとすることにより、例えば半波長板として動作させることができる。一方、二枚の平行平板電極に電圧を印加すると、電界は平板電極に対して垂直となり、液晶のダイレクターも電界に追従し垂直となる。入射した光はリターデーションを受けず、アイソトロピック媒体として動作する。このような従来のネマティック液晶はディスプレイでは多く用いられているが、スイッチング速度がミリ秒と遅く、高速のスイッチング速度が要求される用途では使用できなかった。【０００４】
そこで、液晶パネルについて、高速にスイッチングできるポリマー安定化ブルー相液晶の利用が検討されている。この液晶はカー効果を利用したものであり、図２に示すように電極２５に電圧を印加しない場合、ブルー相液晶２６の屈折率楕円体２７は球となり、どのような角度で光を入射してもリターデーションは生じない（図２（Ａ））。【０００５】
一方、電極２５に電圧を印加すると、ブルー相液晶２６の屈折率楕円体２７は電極方向に長軸を持つ楕円体となる。このため、光を基板２４に対して垂直に入射しても、屈折率楕円体２７の断面は円となるため、リターデーションは発生しない（図２（Ｂ））。このため、ブルー相液晶２６において、リターデーションを発生させるためには、平板電極に対して平行な電界を発生させる必要がある。【０００６】
そこで、図３に示す、ＩＰＳ（Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と言われる櫛歯型の電極が検討されている。本電極は、隣り合う櫛歯型電極２１に正負あるいは正、０の電圧を印加し、横方向の電界を発生させるものである。【０００７】
しかし、ポリマー安定化ブルー相液晶２２内で大きな電界分布（電界の不均一）が発生し、特に櫛歯型電極２１の近傍では大きな電界が発生し、電歪効果によりポリマー安定化ブルー相液晶２２のスイッチング速度の劣化をまねく。さらに、長波長においては、必要となる液晶厚が厚くなり、益々、液晶内で大きな電界分布が発生する。このように、櫛歯型電極２１を用いた場合は、面内の電界分布も大きく、出射した光ビーム内で位相分布（位相の不均一）をまねき、損失やクロストークなど種々の性能劣化が生じる。【０００８】
これに対してポリマー安定化ブルー相液晶にプリズムシートを付着し従前の垂直電界で駆動して履歴現象（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）が除去された階調特性を得た実施例が報告されている。（特許文献１、図４）。しかし、本構造は、垂直入射の場合は、有効であるが大きな角度で斜め入射させると、プリズムシートによる光屈折の効果が光ビーム内で一様でなくなるため、出射する光ビーム内で大きな位相分布をまねく。【０００９】
一方、通常のネマティック液晶と偏光グレーティングを用いた光スイッエンジンとして図５のものが報告されている。これは、位相プレート（ＬＣ  Ｈａｌｆ−Ｗａｖｅｐｌａｔｅ）と偏光グレーティング（Ｐａｓｓｉｖｅ  ＰＧ）を張り合わせ、それに光をほぼ垂直に入射することを前提としている。【００１０】
本構造は、通常のネマティック液晶を用いた位相プレート（ＬＣ  Ｈａｌｆ−Ｗａｖｅｐｌａｔｅ）、ポリマー安定化ブルー相液晶を用いたＩＰＳ（Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型位相プレート、あるいは、プリズムシートを用いたポリマー安定化ブルー相液晶の位相プレートにおいては有効な構造であるが、上記したように、いずれの場合もスイッチング速度、光ビーム位相分布など大きな特性劣化を招く。【００１１】
また、本構造は、光ビームの偏向角度が大きくなると、Ｐａｓｓｉｖｅ  ＰＧ（屈折率１．５）と空気（屈折率１）との界面で全反射を生じ、光を取り出せないという不都合が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１４−１８６０４５号公報
【特許文献２】ＵＳ２０１２／０１８８４６７
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  ｐｈａｓｅ−ｏｎｌｙ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  （ＬＣＯＳ）  ｄｅｖｉｃｅｓ”、Ｚｉｃｈｅｎ  Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ  （Ｌｉｇｈｔ：  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  （２０１４）Ｐ１６」」
【非特許文献２】Ｏｐｔｉｃａ，”Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｄｅａｌ  ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ−ｐｈａｓｅ  ｈｏｌｏｇｒａｍｓ  ｗｉｔｈ  ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｗａｖｅｆｒｏｎｔ，  Ｊｉｈｗａｎ  Ｋｉｍ，ｅｔ  ａｌ．  ｖｏｌ．  ２，  Ｎｏ．１１，  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１５  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上をまとめると、従来技術は、次の様な課題を有している。【００１５】
（１）ＩＰＳ（Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型の櫛歯型電極では、液晶内で大きな電界分布が発生し、電極の近傍では大きな電界が発生し、電歪効果によりポリマー安定化ブルー相液晶のスイッチング速度の劣化をまねく。【００１６】
（２）特に、長波長においては、必要となる液晶厚が厚くなり、益々、液晶内で大きな電界分布が発生する。【００１７】
（３）面内の電界分布も大きく、出射した光ビーム内で位相分布をまねき、損失やクロストークなど種々の性能劣化が生じる。【００１８】
（４）特許文献１の構造においては、ブルー相液晶に大きな角度で斜め入射させると、プリズムシートによる光屈折の効果が光ビーム内で一様でなくなるため、出射する光ビーム内で大きな位相分布をまねく。【００１９】
（５）特許文献２の構造は、位相プレート（ＬＣ  Ｈａｌｆ−Ｗａｖｅｐｌａｔｅ）と偏光グレーティング（Ｐａｓｓｉｖｅ  ＰＧ）を張り合わせ、それに光をほぼ垂直に入射することを前提としている。従って、本構造は、通常のネマティック液晶を用いた位相プレート（ＬＣ  Ｈａｌｆ−Ｗａｖｅｐｌａｔｅ）、ポリマー安定化ブルー相液晶を用いたＩＰＳ（Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型位相プレート、あるいは、プリズムシートを用いたポリマー安定化ブルー相液晶の位相プレートにおいては有効な構造であるが、上記したように、いずれの場合もスイッチング速度、損失、クロストークなど光スイッチングエンジンとして大きな特性劣化を招く。【００２０】
（６）また、特許文献２の構造は、平板を積層した平面構造であるため、大きな偏向角になると出力面で材料と空気の屈折率差で生じる全反射により光を外部に取り出すことができない。【００２１】
（７）さらに、偏向する光ビーム数を多くすると積層する基板の厚さも大きくなり、後で述べるＷａｌｋｏｆｆが大きくなり、性能が著しく劣化する。【００２２】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、高速・広角でスイッチングできる光ビームスイッチング素子を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明の光ビームスイッチング素子は、光が通過しうる材質からなり、第一平面と、前記第一平面と直交する第二平面と、前記第一平面及び前記第二平面に対して傾斜した傾斜面とを有する柱状の傾斜部材と、裏面が前記傾斜面に装着された偏光スイッチング素子と、前記偏光スイッチング素子の表面に装着されたミラーと、前記第二平面に装着された偏光グレーティングとを備え、照射された光ビームのスイッチングを行う光ビームスイッチング素子であって、前記偏光スイッチング素子は、一対の透明電極の間に挟まれたポリマー安定化ブルー相液晶を備え、前記偏光グレーティングは、複屈折を生じさせるダイレクターを有することを特徴とする。【００２４】
本発明の光ビームスイッチング素子によれば、液晶にポリマー安定化ブルー相液晶を用いており、高速のスイッチング速度が要求される用途での利用が可能となる。また、偏光グレーティングは、第二平面に装着されているため、光ビームを垂直に照射することが容易となる。ここで、第一平面と第二平面が直交するとは、文字通り９０°の角度で配置される場合の他、±５°の範囲内での角度の変更が含まれる。また、「装着」とは、接着等により固定する場合の他、偏光グレーティングを傾斜部材と他の部材との間に配置して挟持するような場合も含む概念である。【００２５】
また、本発明の光ビームスイッチング素子において、前記偏光グレーティングは、照射された光ビームに対して半波長板として作用するものであってもよい。当該構成によれば、入力された光ビームの位相を反転させて出光させることができる。【００２６】
また、本発明の光ビームスイッチング素子において、光が通過しうる材質からなり、前記偏光グレーティングが装着された面に装着される装着面と、前記装着面と平行な出光面を有するエレメント本体と、前記出光面に複屈折を生じさせて集光させる集光用ダイレクターを有する集光型偏光グレーティングが設けられた柱状の補正エレメントが装着されてもよい。【００２７】
当該構成によれば、光ビームスイッチング素子の偏光グレーティングが装着された面に補正エレメントが設けられるため、偏光グレーティングから出光される拡散した光ビームを集光することができる。よって、光ビームが拡散して逸脱するＷａｌｋｏｆｆを防止することができる。【００２８】
また、本発明の光ビームスイッチング素子において、前記集光型偏光グレーティングは、前記集光用ダイレクターの波長が、照射された光ビームの角度と出光する光ビームの角度が対称となるように形成されていてもよい。当該構成によれば、拡散した光ビームを確実に集光することが可能となる。【００２９】
また、本発明の光ビームスイッチング素子において、前記集光用ダイレクターは、基準位置では半波長板となる波長を有し、前記基準位置から対称となるように外側に向けて徐々に周期が短くなるように形成されていてもよい。当該構成によれば、集光用ダイレクターの周期が、いわゆるチャープ的に変化しているため、拡散した光ビームを確実に集光することが可能となる。【００３０】
また、本発明の光ビームスイッチング素子において、光ビームが通過する各面に無反射コートが形成されていてもよい。当該構成によれば、各面を光ビームが通過する際の反射による損失を防止することができる。【００３１】
また、本発明の光ビームスイッチング素子において、前記ミラーは誘電体多層膜ミラー又は金属ミラーとしてもよい。当該構成によれば、これらのミラーが高い反射率を備えているため、ミラーによる光ビームの反射の際の損失を極力少なくすることができる。【００３２】
また、本発明の光ビームスイッチング素子を組み合わせた組立体は、前記各光ビームスイッチング素子を第１組の光ビームスイッチング素子とし、前記第１組の光ビームスイッチング素子に、前記各光ビームスイッチング素子を第Ｍ組（Ｍは２以上の整数）として連結してなる光ビームスイッチング素子組立体であって、連結は、被連結側の前記出光面に連結側の前記第一平面を装着して行い、前記第Ｍ組の光ビームスイッチング素子の前記ダイレクターの波長が前記第１組の光ビームスイッチング素子の前記ダイレクターの波長の１／２Ｍ−１に形成されていることを特徴とする。【００３３】
当該構成によれば、複数の光ビームスイッチング素子を組み合わせ、第Ｍ組の光ビームスイッチング素子のダイレクターの波長を１／２Ｍ−１とすることにより、容易に１×Ｎ光ビームスイッチング素子（Ｎは２Ｍ）を形成することができる。【００３４】
また、本発明の光ビームスイッチング素子組立体は、前記各光ビームスイッチング素子を第１組の光ビームスイッチング素子とし、前記第１組の光ビームスイッチング素子に、前記各光ビームスイッチング素子を第Ｍ組（Ｍは２以上の整数）として連結してなる光ビームスイッチング素子組立体であって、連結は、被連結側の前記出光面に連結側の前記第一平面を装着して行い、ＸＹＺ座標系において、ＸＹ平面に平面的に配列してもよい。【００３５】
当該構成によれば、複数の光ビームスイッチング素子を平面的に組み合わせることができるため、Ｚ方向の寸法が採れない場合に有効である。【００３６】
また、本発明の光ビームスイッチング素子組立体は、前記各光ビームスイッチング素子を第１組の光ビームスイッチング素子とし、前記第１組の光ビームスイッチング素子に、前記各光ビームスイッチング素子を第Ｍ組（Ｍは２以上の整数）として連結してなる光ビームスイッチング素子組立体であって、連結は、被連結側の前記出光面に連結側の前記第一平面を装着して行い、ＸＹＺ座標系において、前記第１組の光ビームスイッチング素子をＸＹ平面上に配置し、前記第２組の光ビームスイッチング素子をＸＹ平面から起立させてＺ方向に向けた状態で配列してもよい。【００３７】
当該構成によれば、複数の光ビームスイッチング素子を三次元的に組み合わせることができるため、水平方向の寸法が採れない場合に有効である。【００３８】
また、本発明の光ビームスイッチング素子組立体においては、前記補正エレメントが、前記装着面と前記出光面が垂直に配置され、前記装着面と前記出光面に対して傾斜する補正用傾斜面が設けられ、前記集光型偏光グレーティングが前記補正用傾斜面に装着されるとともに、前記集光型偏光グレーティングの表面に補正用ミラーが装着されたものであってもよい。【００３９】
当該構成によれば、補正エレメントが反射型となるので、光ビームの進路を屈曲させることができるので、透過型の補正エレメントとの組み合わせで、光ビームの進路を所望の進路とすることができる。【００４０】
また、本発明の光ビームスイッチング素子組立体においては、前記補正エレメントに換えて、前記装着面と前記出光面に一対の凸レンズの凸面を突き合わせてなるレンズ型補正エレメントを配置してもよい。当該構成によっても、光ビームの進路を所望の進路とする光ビームスイッチング素子組立体を構成することができる。【００４１】
また、本発明の光ビームスイッチング素子組立体において、前記凸レンズは、蒲鉾形（ｓｅｍｉｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）に形成されていてもよい。当該蒲鉾形の凸レンズによっても、光ビームの進路を所望の進路とする光ビームスイッチング素子組立体を構成することができる。【００４２】
一方で、本発明の光ビームスイッチング素子としては、光が通過しうる材質からなり、第一平面と、前記第一平面と平行な第二平面と、前記第一平面及び前記第二平面の間に配置され、前記第一平面及び前記第二平面に対して傾斜した傾斜面とを有する柱状の傾斜部材と、前記傾斜面に装着された偏光スイッチング素子と、前記第二平面に装着された偏光グレーティングとを備え、照射された光ビームのスイッチングを行う光ビームスイッチング素子であって、前記偏光スイッチング素子は、一対の透明電極の間に挟まれたポリマー安定化ブルー相液晶を備え、前記偏光グレーティングは、複屈折を生じさせるダイレクターを有するものとしてもよい。当該構成によれば、光ビームが反射により屈曲しない光透過型の光ビームスイッチング素子を提供することができる。【００４３】
また、当該透過型の光ビームスイッチング素子において、前記偏光グレーティングは、照射された光ビームに対して半波長板として作用するものとしてもよい。当該構成によれば、入力された光ビームの位相を反転させて出光させることができる。【００４４】
また、当該透過型の光ビームスイッチング素子において、光が通過しうる材質からなり、前記偏光グレーティングが装着された面に装着される装着面と、前記装着面と平行な出光面を有するエレメント本体と、前記出光面に複屈折を生じさせて集光させる集光用ダイレクターを有する集光型偏光グレーティングが設けられた柱状の補正エレメントを装着してもよい。【００４５】
当該構成によれば、光ビームスイッチング素子の偏光グレーティングが装着された面に補正エレメントが設けられるため、偏光グレーティングから出光される拡散した光ビームを集光することができる。よって、光ビームが拡散して逸脱するＷａｌｋｏｆｆを防止することができる。【００４６】
また、前記光ビームスイッチング素子の制御方法としては、前記透明電極に印加する電圧の極性を反転させる反転処理を行うようにしてもよい。当該構成によれば、ブルー相液晶の焼き付きを防止することができる。【００４７】
また、本発明では、下記の技術的解決策をとった。
（１）液晶材料にポリマー安定化ブルー相液晶を用いたことにある。本ポリマー安定化ブルー相液晶は、フォトニック結晶からなる液晶であり、通常のネマティック液晶と比較し高速化が可能となる。【００４８】
（２）ポリマー安定化ブルー相液晶は、図６に示すように印加電界の方向に屈折率楕円体の長軸が発生する。このため光ビームの偏光を変化させるためには、この長軸に対して斜めに入射した。図６に示すようにシンプルな平行平板の電極を用い、これを楔型のプリズムでサンドイッチする構造をとり、ブルー相液晶の層に対して光を斜めに入射できる構造を採用した。【００４９】
（３）図６に示すように偏光グレーティング４は、光ビームが斜めに入射すると損失が増加するため、なるべく垂直入射するようキューブ（傾斜部材）の斜面以外の面に配置あるいは張り付けた構造とした。【００５０】
（４）本スイッチ（光ビームスイッチング素子）は、一本の光ビームが円偏光の回転方向に応じて２つの方向にスイッチすることを基本原理としている。このため、２のべき乗で光がスイッチする。従って、図７（Ａ）に示すように、端の光ビームは、中心からずれ（Ｗａｌｋｏｆｆ）、角度の大きい光ビームは、キューブの出光面から逸脱する。【００５１】
これを回避するため本発明では、図７（Ｂ）に示すように、立方体のキューブに光ビームを集光するように出力する集光型偏光グレーティング５を配置あるいは張り付けたＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０を反射型光ビームスイッチング素子（ここでは透過型で示している）の後段に配置し、前記した直角反射型光ビームのＷａｌｋｏｆｆを打ち消し、これを繰り返すことで、トータルでもＷａｌｋｏｆｆをゼロにした。【００５２】
（５）図８（Ａ）に示すように、本スイッチは、光ビームが拡散する角度が大きい場合、出力側でキューブの媒質と空気とのスネルの法則により、大きな透過損失が発生し、最悪の場合は境界での全反射により光が取り出せない問題が発生する。このため、出力端面にレンズを配置あるいは張り付けた構造とした（図８（Ｂ））。【００５３】
（６）本１×Ｎ光ビームスイッチング素子は、直角反射型光ビームスイッチング素子の後段に、Ｗａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０を配置あるいは張り付けている。このため寸法が比較的大きくなる。このため、図２４に示すように直角反射型光ビームの反射方向を変えることで、３次元の立体構造とすることで寸法をコンパクト化した。【００５４】
具体的には本発明は次の手段を提供することができる。
（１）光が通過し得る材質からなる立方体をその斜辺で分割したコーナーキューブのその斜面にポリマー安定化ブルー相液晶を２枚の透明電極が形成された基板で挟んだ構造の偏光スイッチ素子を配置あるいは貼り付け、
さらにその偏光スイッチ素子上にミラーを配置あるいは張り付けて反射型偏光スイッチング素子を構成し、
前記反射型偏光スイッチング素子の一方の正方形の側面に、複屈折のダイレクターがある周期Λ１で回転しており、そのダイレクターを含む各ポイントは半波長板として動作する偏光グレーティングを配置あるいは張り付け、
前記反射型偏光スイッチング素子の他方の正方形の側面より円偏光の光ビームを入射させると、前記ミラーで反射して２回前記偏光スイッチを通過し、さらに前記偏光グレーティングを通過して、前記光ビームが前記円偏光の方向に従ってスイッチングされて出射することを特徴とする反射型光ビームスイッチング素子。【００５５】
（２）前記立方体とほぼ同じ寸法の立方体キューブの一方の側面に集光型偏光グレーティングを配置あるいは張り付けてＷａｌｋｏｆｆ補正エレメントを構成し、
（１）に記載の反射型光ビームスイッチング素子にさらに前記Ｗａｌｋｏｆｆ補正エレメントを、前記偏光グレーティングと前記一方の側面と対向する他方の側面が相対するように配置あるいは貼り付けたことを特徴とする１×２光ビームスイッチング素子。【００５６】
（３）として、（２）に記載の１×２光ビームスイッチング素子の前記集光型偏光グレーティングは、複屈折を持つダイレクターから構成されており、局部的には半波長板をなっており、そのダイレクターはある中心軸に鏡対称となるように、ある周期で回転しており、その周期Λ’が中心から外側に行くにつれ少しずつ周期Λ’が短くなるようにチャープ的に変化したチャープ偏光グレーティングであることを特徴とする１×２光ビームスイッチング素子。【００５７】
（４）として、（３）に記載の１×２光ビームスイッチング素子に、さらに前記周期Λ１のほぼ半分の周期Λ２で回転している複屈折ダイレクターからなる偏光グレーティングを用いて同様に構成した１×２光ビームスイッチング素子を前記１×２光ビームスイッチング素子の後段に配置あるいは張り付けたことを特徴とする一次元の１×４光ビームスイッチング素子。【００５８】
（５）として、（４）に記載の１×４光ビームスイッチング素子の後段に、さらに前記周期Λ２のほぼ半分の周期Λ３で回転している複屈折ダイレクターからなる偏光グレーティングを用いて同様に構成した１×２光ビームスイッチング素子を配置あるいは張り付け、これを同様にＬ回（Ｌは０、または１以上の自然数）、同様に繰り返すことにより実現することを特徴とした一次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子。ただしＮ＝２Ｌ＋２とする。【００５９】
（６）として、（４）または（５）のいずれかに記載の１×Ｎ光ビームスイッチング素子において（Ｎ＝２Ｌ＋２）、前記光ビームを偏向の小さい前記偏光グレーティングを持つ１×２光ビームスイッチング素子の側面より入射したことを特徴とした一次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子。【００６０】
（７）として、（３）に記載の１×２光ビームスイッチング素子を複数個用い、前記光ビームの偏向方向をＸ方向（水平方向）とＹ方向（垂直方向）の直交した軸に交互に偏向させ、全体で二次元の平面に光ビームをスイッチングさせることを特徴とした二次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子。ただしＮは２のべき乗とする。【００６１】
（８）として、（７）に記載の二次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子において、前記Ｗａｌｋｏｆｆ補正エレメントを構成する前記集光型偏光グレーティングは、前記チャープ偏光グレーティングと、偏光グレーティングを構成するダイレクターがある点を中心に点対称となるように、ある周期で回転しており、その周期Λ’が中心から外側に行くにつれ少しずつ周期Λ’が短くなるようにチャープ的に変化したレンズ偏光グレーティングを重ね合わせて構成したことを特徴とする二次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子。【００６２】
（９）として、（７）または（８）のいずれかに記載の１×Ｎ光ビームスイッチング素子において、前記光ビームの入射方向からＸ方向、Ｙ方向において偏向角の小さな前記１×２光ビームスイッチング素子を交互に接続し、その偏向角は次の段に行くにつれＸ方向、Ｙ方向とも約２倍となっていることを特徴とした二次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子。【００６３】
（１０）として、（５）、（６）、または（９）のいずれかに記載の１×Ｎ光ビームスイッチング素子は、さらに反射ミラーとコーナーキューブと前記集光型偏光グレーティングからなるＷａｌｋｏｆｆ補正キューブを備え、適宜前記１×２光ビームスイッチング素子を前記立方体キューブからなる前記Ｗａｌｋｏｆｆ補正エレメントに代えて構成し、前記反射型光ビームスイッチング素子を立体的に配置したことを特徴とした１×Ｎ光ビームスイッチング素子。【００６４】
（１１）として、（５）、（６）、または（９）のいずれかに記載の１×Ｎ光ビームスイッチング素子における前段の前記１×２光ビームスイッチング素子の前記Ｗａｌｋｏｆｆ補正エレメントを前記反射型ビームスイッチング素子の前記出射面に凸レンズを配置または貼り付けて構成し、
後段の前記１×２光ビームスイッチング素子の前記反射型光ビームスイッチング素子の入射面に凸レンズを配置または貼り付けて、前記反射型光ビームスイッチング素子を立体的に配置したことを特徴とした１×Ｎ光ビームスイッチング素子。【００６５】
（１２）として、前記（１１）に記載の１×Ｎ光ビームスイッチング素子において、さらに前記前段の前記Ｗａｌｋｏｆｆ補正エレメントを構成する前記反射型ビームスイッチング素子の入射面に凸レンズを配置または貼り付け、後段の前記１×２光ビームスイッチング素子の前記反射型光ビームスイッチング素子の出射面に凸レンズ配置または貼り付けて、前記反射型光ビームスイッチング素子を立体的に配置したことを特徴とした１×Ｎ光ビームスイッチング素子。【００６６】
（１３）として、（１２）に記載の１×Ｎ光ビームスイッチング素子において、最後の光ビーム出力面にほぼ半球のレンズを配置あるいは張り付けたことを特徴とした１×Ｎ光ビームスイッチング素子。【００６７】
（１４）として、（２）に記載の１×２光ビームスイッチング素子において、前記コーナーキューブおよび前記Ｗａｌｋｏｆｆ補正エレメントを構成する前記立方体キューブはガラスあるいはシリコンが用いられていることを特徴とした１×２光ビームスイッチング素子。【００６８】
（１５）として、（１４）に記載の１×２光ビームスイッチング素子において、前記光ビームが通過する各面には無反射コートが形成されていることを特徴とした１×２光ビームスイッチング素子。【００６９】
（１６）として、（１）に記載の反射型光ビームスイッチング素子において、前記ミラーは多層膜誘電体ミラーあるいは金属ミラーであることを特徴とする反射型光ビームスイッチング素子。【００７０】
（１７）として、（５）、（６）または（９）のいずれかに記載の１×Ｎ光ビームスイッチング素子において、各前記偏光スイッチ素子の前記透明電極に印加する電圧の極性を時間的に交互に反転させることを特徴とした１×Ｎ光ビームスイッチング素子の制御方法。
【発明の効果】
【００７１】
本発明により、高速・高効率・広角かつコンパクトなキューブ型モデュラー構造の光ビームスイッチング素子の提供が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】従来のネマティック液晶位相パネルの一例である。
【図２】ポリマー安定化ブルー相液晶の平行電極の説明図である。図２（Ａ）は電圧を印加していない場合のポリマー安定化ブルー相液晶部のアイソトロピック特性を表す屈折率楕円体、図２（Ｂ）は電圧を印加した場合のポリマー安定化ブルー相液晶部の屈折率楕円体を表す図である。
【図３】ポリマー安定化ブルー相液晶のＩＰＳ（Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と言われる櫛歯型の電極を表す図である。
【図４】特許文献１に記載された光スイッチングエンジンを表す図である。
【図５】特許文献２に記載された光スイッチングエンジンを表す図である。
【図６】ポリマー安定化ブルー相液晶と偏光グレーティングからなる本発明の反射型光ビームスイッチング素子を表す図である。
【図７】図７（Ａ）は、出力光ビームが中心からずれる（Ｗａｌｋｏｆｆという）従前例を表す図を表し、図７（Ｂ）は、それを改良した本発明の基本構成を表す図である。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の出力端面にレンズを配置あるいは張り付けた構造を表す図である。
【図９】本発明の１×Ｎ光ビームスイッチング素子の一例を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は偏光スイッチ素子の拡大図、（Ｃ）は矢印から見たときの断面図、（Ｄ）は本構造を実施しない場合の図である。
【図１０】本発明を直交するＸ軸、Ｙ軸に適用した２次元の光ビーム面スイッチング素子の一例を示す図である。図１０（Ａ）および（Ｂ）は、Ｘ−Ｚ面とＹ−Ｚ面の光ビームの軌跡を表す図である。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は、複屈折を持つダイレクターがある周期で一方向に回転している偏光グレーティング４を表す図である。
【図１２】集光型偏光グレーティング５のダイレクター構造と機能を示す。
【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は、偏光グレーティング４に左回り円偏光を入射したときのＸ軸方向（ダイレクターが回転している方向）の位相分布と光ビームの出射角度を示した図である。
【図１４】偏光グレーティング４に右回り円偏光を入射したときのＸ軸方向（ダイレクターが回転している方向、図１４（Ａ）は右回り、（Ｂ）は左回り）の位相分布と光ビームの出射角度を示した図である。
【図１５】集光型偏光グレーティング５を表す図である。
【図１６】従来のＰＧについて、図１６（Ｃ）は一様なΛを持った偏光グレーティング（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＰＧ）、図１６（Ａ）および（Ｂ）は、逆転した円偏光と、同じ回転方向の円偏光が、それぞれ図１６（Ｃ）を通過する光ビームの軌跡を示す図である。
【図１７】（Ａ）〜（Ｃ）は、非特許文献２に記載された光を集光する偏光グレーティング（レンズＰＧ（反転チャープΛ））を表す図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｃ）は、中心Ｏに対してダイレクターを鏡対称となるようにし、その位相が中心Ｏから離れるに従い円あるいはパラボリック的な位相分布となるように周期を狭くしたチャープＰＧ（チャープΛ）を表す図である。
【図１９】図１９（Ａ）は、図１０で示した二次元１×Ｎ光ビームスイッチング素子を透過型で表現した場合の模式図、図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）で示したＧ点での光のＸＹ空間分布をＨ点で集光させるために必要な集光型２Ｄ＿ＰＧの手法を示す図である。
【図２０】本発明の一組のレンズＰＧとチャープＰＧを張り合わせた二次元偏光グレーティング（集光型２Ｄ＿ＰＧ５）を表す模式図である。
【図２１】（Ａ）と（Ｂａ）は再褐。（Ｂｂ）は通常の凸レンズ系を用いて光ビーム集光系を実現した場合を示している。また（Ｃ）は通常の凸レンズ系を用いて理想的な像変換の光ビーム集光系を実現した場合を示している。
【図２２】図２１（Ｂｂ）と（Ｃ）において、と（Ｂ−１）と（Ｃ−１）はその等価レンズ系、（Ｂ−２）と（Ｃ−２）はその伝達マトリクス、（Ｂ−３）と（Ｃ−３）はその光ビームを入射した時の応答を表す図である。
【図２３】（Ａ−１）、（Ａ−２）および（Ｂ−１）、（Ｂ−２）は、図２１（Ｂｂ）と（Ｃ）を実現するための実際の構造を表す図である。
【図２４】本発明の図１０に示した一次元に配置した１×Ｎ光ビームスイッチング素子をコンパクトに三次元配置する構造を表す図である。
【図２５】１×Ｎ光ビームスイッチング素子を図２３に示す光ビーム集光系によりコンパクトに三次元配置する構造の一例を表す図である。
【図２６】１×Ｎ光ビームスイッチング素子を図２３に示す光ビーム集光系によりコンパクトに三次元配置する構造の他の例を表す図である。
【図２７】本発明の１×Ｎ光ビームスイッチング素子の制御方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００７３】
図９に本発明１×Ｎ光ビームスイッチング素子の一例を示す。図９は１×４光ビームスイッチング素子及び光ビームスイッチング素子組立体の例を示したものである。（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は偏光スイッチ素子の拡大図、（Ｃ）は矢印から見たときの断面図、（Ｄ）は本構造を実施しない場合の図を示す。【００７４】
なお、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）においては、反射型の偏光スイッチング素子を透過型に変換して記述している。もちろん本透過型でも十分に機能するが、リターデーション発生の効率が悪くなること、また、一次元に展開しているため、１×Ｎ光ビームスイッチング素子のＮが大きくなると、極めて大きな長さになる欠点がある。【００７５】
先ず、図９（Ｂ）の偏光スイッチング素子２について説明する。偏光スイッチング素子２は、ガラス基板２０１とその表面の一方に形成された一対の透明電極２０２の間にブルー相液晶２０３（ポリマー安定化ブルー相液晶）を挿入したものである。図２で説明したように、ブルー相液晶２０３に電界を印加すると液晶の屈折率楕円体は、その長軸が電極に垂直な方向となるような楕円体となる。このため、偏光スイッチング素子２に垂直に光ビームを入射しても光は屈折率楕円体の断面である円の状態の楕円体を通過することになり、リターデーションは生じない。【００７６】
このため、本構造では、入射角が斜め４５°となるように光を入射している。光は屈折率楕円体を４５°方向にトランケートした楕円の屈折率により影響を受けることになるためリターデーションが生じる。さらに誘電体多層膜ミラーであるミラー３を配置することで、光は往復でブルー相液晶２０３を通過することになり、屈折効率が向上する。【００７７】
偏光スイッチング素子２に電圧を印加しない場合は、ブルー相液晶２０３の屈折率楕円体は球であるためリターデーションは生じず、アイソトロピックとして動作する。すなわち、入射偏光は保存されたまま透過する。一方、偏光スイッチング素子２に適切な電圧を印加すると半波長板として作用し、例えば入射した左周り円偏光の回転方向が逆転し、右回り円偏光となる。逆に、右周り円偏光は左回り円偏光となる。以上により、電圧の印加有り無しで、円偏光の回転方向をスイッチングする素子として動作する。【００７８】
次に図９図（Ｄ）を用いて、本特許の有効性を説明する。図９（Ｄ）は本特許を用いない場合に問題となる例を示したものである。この図９（Ｄ）では、分かりやすくするため、反射型光ビームスイッチング素子９を透過型光ビームスイッチング素子９’に変えて記述している。【００７９】
先ず、反射型光ビームスイッチング素子９は、図９（Ａ）に示すように、光が通過しうる材質からなるコーナーキューブ１（傾斜部材）の傾斜面１ｃに前記した偏光スイッチング素子２の裏面を貼り付け、コーナーキューブ１の一方の正方形の面（第二平面１ｂ）に偏光グレーティング４を貼り付けたものである。コーナーキューブ１の入光面は、第一平面１ａとなっている。図９（Ａ）に示すように、第一平面１ａと第二平面１ｂは直交しているが、この角度は±５°程度が許容範囲となっている。【００８０】
ここで、図９（Ａ）においては、コーナーキューブ１、偏光グレーティング４、及び偏光スイッチング素子２の表面に装着したミラー３からなる反射型光ビームスイッチング素子９に、コーナーキューブ１の一辺とほぼ同じ立方体のキューブ７（エレメント本体）に光ビームを集光するように出力する集光型偏光グレーティング５を装着したＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０（補正エレメント）を装着している。【００８１】
具体的には、Ｗａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０は、キューブ７の装着面７ａを偏光グレーティング４が設けられている面（被装着面）に装着し、キューブ７の出光面７ｂに集光型偏光グレーティング５を装着している。この出光面７ｂは、装着面７ａとは平行に設けられている。【００８２】
また、第１実施例においては、反射型光ビームスイッチング素子９とＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０とを組み合わせた光ビームスイッチング素子を第１組として、第Ｍ組（Ｍは２以上の整数。本実施例では２。）の光ビームスイッチング素子を連結している。この整数Ｍは、後述する図１０に示す光ビームスイッチング素子組立体のように、任意に増減させることができる。【００８３】
図９図（Ｄ）において、光ビームをもう一方の正方形の面（図９（Ａ）の第一平面１ａ）から入射すると偏光スイッチング素子２の電圧印加の有り無しで、円偏光の回転がスイッチし、出力する光ビームを偏向（ここでは上下）させることができる。【００８４】
透過型光ビームスイッチング素子９’とは、前記した反射型光ビームスイッチング素子９のミラー３を用いないものであり、偏光スイッチング素子２を２つのコーナーキューブ１の傾斜面９’ｃでサンドイッチし、入光面９’ａに対向した一方の面（出光面９’ｂ）に偏光グレーティング４を配置あるいは張り付け、入光面９’ａから光を入射するものである。透過型光ビームスイッチング素子９’は、反射型光ビームスイッチング素子９と比較し、偏光スイッチング素子２を一回しか通過しないため偏光効率は小さい。【００８５】
偏光グレーティング４は図１１に示すように複屈折を持つダイレクターＤがある周期で一方向に回転しているものであり、円偏光の光ビームを入射すると、円偏光の回転方向で出力する光ビームが右、左に偏向する機能を持つ。詳細な原理・機能については後で説明する。【００８６】
再び図９（Ｄ）に戻って説明する。透過型光ビームスイッチング素子９’に左回りの円偏光を入射すると電圧の有り無しで、円偏光の回転方向は逆転し右回りの円偏光（破線）で出射したり、そのままで（実線）の左回りの円偏光で出射したりする。その後、偏光グレーティング４を通過すると、円偏光の回転方向に応じて光ビームは上下に偏向する。さらに、次の透過型光ビームスイッチング素子９’に入射させると、一点から光ビームが偏向せずＷａｌｋｏｆｆが発生する。【００８７】
これは、例えば図７（Ａ）に示すように接続する段数が多くなると加算されるため多点スイッチでは出力光ビームがキューブの開口から逸脱したりして致命的な問題となる。特に大きな角度での偏向スイッチング素子の実現は困難となる。【００８８】
そこで、図９（Ｃ）に示すように、柱状のＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０（補正エレメント）を反射型（あるいは透過型）光ビームスイッチング素子（ここでは透過型で示している）の後段に配置した。Ｗａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０とは、コーナーキューブ１の一辺とほぼ同じ立方体のキューブ７に光ビームを集光するように出力する集光型偏光グレーティング５を配置あるいは張り付けたものである。【００８９】
ここで重要なことは、図９（Ｃ）に示すように光ビームの円偏光の回転方向は、上半分と下半分で右回りと左回りに分離していることである。この状況は、偏向角の小さい偏光グレーティング４を用いた反射型（あるいは透過型）光ビームスイッチング素子９’の後段にその約２倍の偏向角を持つ偏光グレーティング４を持つ反射型（あるいは透過型）光ビームスイッチング素子９’を接続し、それを繰り返して構成する１×Ｎ光ビームスイッチング素子の場合に成り立ち、かつ、その小さい角度の偏光グレーティング４から光ビームを入射した場合に生じる。【００９０】
従って、この偏光グレーティング４の組合せと、入射方向を限定することは、極めて重要となる。このように、立方体のキューブ７に張り付けられた集光型偏光グレーティング５により上半分と下半分で右回りと左回りに分離した円偏光を再び一点に集光できるとする。即ち、集光型偏光グレーティング５に照射された光ビームの角度と出光する光ビームの角度が、光ビームの進行方向を側面から見た場合に、角度が対称となるように形成されている。当該構成により、図９（Ｃ）に示すようにＦ点（集光点）を中心に次の偏光グレーティング４で光ビームが一点から偏向することになり、従来で問題であったＷａｌｋｏｆｆをゼロにできる。【００９１】
また、図７（Ｂ）に示すように、これを繰り返すことで多くの反射型（あるいは透過型）光ビームスイッチング素子（ここでは透過型で示している）を接続しても周期的にＷａｌｋｏｆｆをゼロにできるため、全体としてもＷａｌｋｏｆｆがゼロの１×Ｎ光ビームスイッチング素子を実現できる。【００９２】
この実施例１においては、コーナーキューブ１の第一平面１ａ、第二平面１ｂ、及び傾斜面１ｃや、キューブ７の入光面及び出光面に、無反射コートを施すことが好ましい。また、透過型光ビームスイッチング素子９’の入光面９’ａ、出光面９’ｂ、及び傾斜面９’ｃについても同様である。また、実施例１において、ミラー３は、誘電体多層膜ミラーではなく、金属ミラーを用いてもよい。
【実施例２】
【００９３】
本構造はさらに直交するＸ軸、Ｙ軸にも適用可能であり、これにより平面的に配列した２次元の面スイッチングが可能となる。その一実施例を図１０に示す。ここでは、分かりやすくするため、各光ビームのマージナルビーム（上下端のビーム）のみを示している。図１０（Ａ）にＸ−Ｚ面での光ビームの軌跡を、図１０（Ｂ）にはＹ−Ｚ面での光ビームの軌跡を示す。また、偏光グレーティング４は、一方向（例えばＸ方向、あるいはＹ方向）のみに偏向するため、偏向しない方向は、破線で示している。【００９４】
ここで重要なことは、図１０に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向とも入射側の偏光グレーティング４の偏向角は小さく、出力側に行くにつれ約２倍の偏向角になっていることである。このためには偏光グレーティング４の周期Λを出力側にいくにつれ約１／２にすればよい。【００９５】
図１０では、最初に透過型光ビームスイッチング素子９’を用いてＸ方向に光ビームを偏向させ、その後、Ｗａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０を用いて一点に集光させた後、今度はＹ方向に光ビームを偏向させ、その後再度Ｗａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０を用いて一点に集光させ、これを繰り返して二次元の面で動作する１×Ｎ光ビームスイッチング素子を実現している。【００９６】
また、最後の出力端には、図８（Ａ）に示した全反射による影響をなくすため、最後の集光点を中心とした半球レンズ８を配置している。これに関しては図８に示したように広角の光ビームの全反射を抑制できる。なお、半球レンズ８の他にも、複合したレンズ系を用いることで光ビームのスポット径や偏向角度を変換させることもできる。【００９７】
ここで重要な機能を持つのが、Ｗａｌｋｏｆｆ補正キューブ７０に用いる集光型偏光グレーティング５である。以下、図１２を用いて集光型偏光グレーティング５の構造と機能を示す。偏光グレーティング４あるいはその変形である集光型偏光グレーティング５は複屈折を持つ集光用ダイレクター（例えば液晶ポリマーの分子）がある周期Λで回転しているものである。【００９８】
Ｊｏｎｅｓベクトルを用いて本構造の機能を説明する。Ｊｏｎｅｓベクトルでは、左周り、右回りの円偏光はそれぞれ（１）式、（２）式で表せられる。【００９９】
【数１】
0006978123.tif 000002
【数２】
0006978123.tif 000003
【０１００】
今、ダイレクターＤからなる微小シートを考える。この微小シートは半波長板となる厚さを持っており、基準からαだけ回転している場合を考える。Ｊｏｎｅｓベクトルによるとαだけ回転しているエレメントは半波長板のＪｏｎｅｓマトリクスを、座標回転のＪｏｎｅｓマトリクスを左、右側からサンドイッチした積の形式で記述できる。【０１０１】
右回りの円偏光を入射すると、出力は（３）式に示すように、偏光の回転方向が逆転し、左周りの円偏光となり、さらに位相は、２αだけ回転する。すなわち、ダイレクターＤの回転角の２倍で位相が進む（あるいは遅くれる）。【０１０２】
【数３】
0006978123.tif 000004
【０１０３】
図１３は偏光グレーティング４に左回り円偏光を入射したときのＸ軸方向（ダイレクターＤが回転している方向）の位相分布と光ビームの出射角度を示したものである。（Ａ）はＸ軸の正方向でダイレクターＤの回転角αが増加する場合、（Ｂ）はＸ軸の正方向でダイレクターＤの回転角αが減少する場合を示している。出力された円偏光の回転方向は共に右回り円偏光となるが、光ビームの方向は、偏光グレーティング４を通過すると、それぞれ、等位相面（波面）の傾きに応じて左方向、右方向に偏向する。その偏向角θは、次式で与えられる。【０１０４】
【数４】
0006978123.tif 000005
【０１０５】
ここでＮｓは媒質の屈折率、θｉｎは入射角度、θｏｕｔは出射角度、λは波長、Λは偏光グレーティングの周期、ｍは円偏光の回転方向を表す次数である（＋、−１）。【０１０６】
また、図１４は偏光グレーティング４に右回り円偏光を入射したときのＸ軸方向（ダイレクターＤが回転している方向）の位相分布と光ビームの出射角度を示したものである。図１３の場合と比較し、偏向方向が逆転していることが分かる。【０１０７】
前述したように、本発明１×Ｎ光ビームスイッチング素子に用いる集光型偏光グレーティング５においては、図１５に示すように左半分と右半分で回転方向が逆転した円偏光を入射し、これを一点に集光させる必要がある。【０１０８】
図１６に（Ｃ）に示すように従来の一様なΛを持った偏光グレーティング（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＰＧ）に対して、左半分と右半分で回転方向が逆転した円偏光を入射した場合（Ａ）、と同じ回転方向の円偏光を入射した場合、（Ｂ）、においてＰＧを通過した光ビームの軌跡を示す。（Ａ）の場合は、光ビームは中心に向かうが一点には集光しない。（Ｂ）の場合は、全ての光ビームが同じ方向に偏向する。【０１０９】
一方、光を集光する図１７に示すような偏光グレーティング（レンズＰＧ）が報告されている（非特許文献２）。これは（Ｃ）に示すようにダイレクターＤの回転方向は中心Ｏに対して点対称（反転）に回転し、その位相が中心Ｏから離れるに従い円あるいはパラボリック的な位相分布となるように周期は狭く（短く）なっている。（Ａ）に示すように入射光ビームが同じ回転方向の円偏光である場合は、透過する光は一点に集光するが、本発明１×Ｎ光ビームスイッチング素子の入射条件である、左半分と右半分で回転方向が逆転した円偏光を入射する場合は、（Ｂ）に示すように一点に集光しない。
【実施例３】
【０１１０】
そこで、図１８に示すチャープＰＧを用いる。これは中心０（基準位置）に対してダイレクターＤを鏡対称となるようにし、その位相が中心Ｏから外側に向けて円あるいはパラボリック的な位相分布となるように、徐々に周期を狭く（短く）した。図１８（Ａ）に示すように、本チャープＰＧに左半分と右半分で回転方向が逆転した円偏光を入射すると中心に向かって光は一点に集光する。なお、参考のため、同じ回転方向の円偏光を入射すると図１８（Ｂ）に示すように一点に集光しない。【０１１１】
従って、一次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子の場合は、チャープＰＧを用いることで集光型偏光グレーティング５を実現できる。【０１１２】
しかし、二次元の場合は、少し複雑になる。以下、二次元の１×Ｎ光ビームスイッチング素子用いる二次元の集光型偏光グレーティング５（集光型２Ｄ＿ＰＧ）の実現方法について説明する。これは、２つのステップで実現する。
【実施例４】
【０１１３】
図１９を用いてその実現方法を説明する。図１９（Ａ）は図１０で示した二次元１×Ｎ光ビームスイッチング素子を透過型で表現した場合の模式図である。（Ｂ）は（Ａ）で示したＧ点での光のＸＹ空間分布をＨ点で集光させるために必要な集光型２Ｄ＿ＰＧの手法を示している。【０１１４】
図１９（Ｂ）で示すように、先ずは前記したレンズＰＧを用いてＹ方向に集光させる。その理由は、回転方向が同じ円偏光を集光させるためである。その後、今度は、回転方向が異なる２つの円偏光を集光させるため、チャープＰＧを用いてＸ方向に集光させ、最終的に一点に集光させる。なお、この順番は逆でもよい。すなわち、図２０に示すように集光型２Ｄ＿ＰＧ５は、一組のレンズＰＧとチャープＰＧを張り合わせたもので実現できる。
【実施例５】
【０１１５】
図２１は、別の実施例を示したものである。再度図１０で示した二次元１×Ｎ光ビームスイッチング素子を透過型で表現した場合の模式図（Ａ）を用いる。この基本構造は光ビーム集光系（破線で囲った部分）を種々の周期Λを持つ偏光グレーティング４を２枚用い、それで光ビーム集光系を挟んだものを直列に配置したものに、入力の透過型光ビームスイッチング素子と出力のレンズを配置したものである。【０１１６】
図２１において、（Ｂａ）は、前記した集光型１Ｄ＿ＰＧあるいは集光型２Ｄ＿ＰＧ５を用いて光ビーム集光系を実現した場合であり、（Ｂｂ）は通常の凸レンズ系を用いて光ビーム集光系を実現した場合を示している。また（Ｃ）も通常の凸レンズ系を用いて理想的な像変換の光ビーム集光系を実現した場合を示している。（Ｂｂ）や（Ｃ）によっても同様の集光の効果を得ることができる。【０１１７】
なお、前記したように集光型１Ｄ＿ＰＧあるいは集光型２Ｄ＿ＰＧ５を用いた場合は、入射する円偏光の回転方向に応じてＰＧの方向を規定する必要があり、集光型１Ｄ＿ＰＧあるいは集光型２Ｄ＿ＰＧ５の前には偏光スイッチ素子を配置することはできず、キューブ７を配置している（Ｂａ）。【０１１８】
一方、通常のレンズを用いた場合は、円偏光の回転方向を考慮する必要はない。このため。キューブ７の代わりに透過型光ビームスイッチング素子９’を用いることができる（Ｂｂ）。これにより２つ偏光スイッチ素子で偏光を制御するため低電圧化できる利点がある。なお、後で説明するが、透過型光ビームスイッチング素子９’のかわりに反射型の光ビームスイッチング素子も用いてもよい。【０１１９】
この詳細な動作について、図２２を用いて説明する。
先ず、集光型１Ｄ＿ＰＧあるいは集光型２Ｄ＿ＰＧ５を用いて光ビーム集光系を実現した場合（Ｂａ）と通常の凸レンズ５０を用いて光ビーム集光系を実現した場合（Ｂｂ）の等価レンズ系を（Ｂ−１）に示す（レンズ型補正エレメント）。キューブ７の長さを２ｆとすると、これは焦点距離ｆを持つレンズを中心におき、これから左右に２ｆだけ離れた入出射面における透過レンズ系と等価である。このときの等価レンズ系の伝達マトリクスは（Ｂ−２）となる。【０１２０】
この透過レンズ系に位置Ｘ、角度αの光ビームを入射した場合の応答は（Ｂ−３）で示される。位置Ｘで入射した光ビームは−Ｘ、すなわち像が逆転し、角度については逆転した角度−αに−Ｘ／ｆを加算した形となる。Ｘが小さい光線においては、−Ｘ／ｆ≒０と無視できるため、位置Ｘ、角度αとも逆転する理想的な集光系となるが、Ｘが大きくなると理想的な集光系から逸脱する。【０１２１】
一方、図２２（Ｃ）は、この問題を回避した構造である。ここでも、キューブの長さを２ｆとしている。これは、前記した集光型２Ｄ＿ＰＧ５の代わりに通常の凸レンズ５０を用いており、前記した円偏光の回転方向によらず機能する。【０１２２】
図２２において、（Ｃ−１）は等価レンズ系を示しており、（Ｂ−２）と比較すると入出射面に焦点距離２ｆのレンズを付加している。この伝達マトリクスは、（Ｃ−２）に示すように−１の要素を持つ対角マトリクスとなり、位置Ｘ、角度αの光ビームを入射した場合の応答は、位置Ｘ、角度αとも逆転する理想的な集光系となり、Ｘが大きい場合も常になりたつ。
しかし、本発明１×Ｎ光ビームスイッチング素子においては、Ｘ≒０で使用するため、（Ｂａ）（Ｂｂ）（Ｃ）いずれの方式も使用可能である。【０１２３】
図２３は、図２２（Ｂｂ）および（Ｃ）を実現するための実際の構造を示す。（Ａ−１）、（Ａ−２）は図２２（Ｂｂ）の構造の一例であり、２つ反射型の偏光スイッチ素子９の間に２つの凸レンズ５０の凸面を突き合わせて配置したものである（レンズ型補正エレメント）。２つの凸レンズ５０の焦点距離は２ｆであり、２つあわせるとｆとなる。（Ａ−１）は反射型の構造であり、（Ａ−２）は反射型の構造である。【０１２４】
図２３（Ｂ−１）、（Ｂ−２）は図２２（Ｃ）の場合であり、（Ａ−１）、（Ａ−２）の構造において、さらにコーナーキューブ１の入出力面にも凸レンズ５０を配置している。なお、これらのコーナーキューブ１と凸レンズ５０を一体化したものは、ガラスモールドにより容易に製作できる。凸レンズ５０は、図２３に示すように、蒲鉾形（ｓｅｍｉｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ）レンズであってもよく、一般的な球面を有するものであってもよい。
【実施例６】
【０１２５】
以下では、図１０に示した一次元に配置した１×Ｎ光ビームスイッチング素子をコンパクトに三次元配置する構造について説明する。この例では、光ビームスイッチング素子をＸＹ平面上のみならず、Ｚ方向に起立させて、立体的な組立体としている。【０１２６】
図２４はその一例である。本構造は基本的に３つのエレメントから構成されている。これらのエレメントをＸ，Ｙ，Ｚの座標系で立体的に配置したものである。また、この例では、３層から構成されており、第１層は入力層、第２層は中間層、第２層は出力層となっている。３つのエレメントは、立方体キューブと集光型偏光グレーティングからなるＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ７ｃ、反射ミラー７ｅ（補正用ミラー）と集光型偏光グレーティングと補正用傾斜面７ｆを有するコーナーキューブからなるＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ７ｄ、また、反射型光ビームスイッチング素子９から構成される。【０１２７】
また、第１層〜第３層の太斜線は、光ビームをＺ軸方向に向かわせるエレメントであり、入出力や、各層間の光ビームの結合に用いる。図１９に示した光ビームの軌跡は透過型で示した図１０の軌跡と同じであることがわかる。このように３次元配置することで、極めて小型な１×Ｎ光ビームスイッチング素子が得られる。【０１２８】
図２５、図２６は図２３に示した通常の凸レンズ５０を用いた光ビーム集光系によって一次元に配置した１×Ｎ光ビームスイッチング素子をコンパクトに三次元配置する構造の一例をしめしたものである。これ以外にも、種々な組合せにより、三次元配置することでコンパクトな１×Ｎ光ビームスイッチング素子を実現できる。
【実施例７】
【０１２９】
図２７は、本発明の１×Ｎ光ビームスイッチング素子３００の制御方法を示したものである。１×Ｎ光ビームスイッチング素子は、各偏光スイッチ素子への印加電圧有り無しで光ビームの方向を制御する。すなわち、１は電圧印加する場合、０は電圧印加しない場合とするとビット列である角度で偏向する光ビームを記述できる。【０１３０】
しかし、液晶は多くのイオンが混在しており、同じ電界を印加すると焼き付けなどの問題が発生する。一方、ブルー相液晶は電界の二乗で屈折率が変化する。このため、同じビットである１表すため電圧を＋、−、＋・・・を交互に変化させることで、同じ効果をえることができる。すなわち、常に電圧の極性を時間的に交互に反転させる反転処理を行うことで焼き付けなどの問題を回避できる。
【符号の説明】
【０１３１】
１…コーナーキューブ
２…偏光スイッチング素子
３…ミラー
４…偏光グレーティング
５…集光型偏光グレーティング
７…キューブ
７ａ…立方体キューブからなるＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ
７ｂ…反射ミラーとコーナーキューブからなるＷａｌｋｏｆｆ補正キューブ
８…半球レンズ
９…反射型光ビームスイッチング素子
９’…透過型光ビームスイッチング素子
２１…櫛歯型電極
２２…ポリマー安定化ブルー相液晶
２４…基板
２５…電極
２６…ブルー相液晶
２７…屈折率楕円体
５０…凸レンズ
１００…円偏波型偏波ダイバーシティ―
１０１…単一モード光ファイバ
１０２…レンズ
１０３…位相板
１０４…半波長板
２０１…ガラス基板
２０２…透明電極
２０３…ブルー相液晶
３００…１×Ｎ光ビームスイッチング素子
【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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