JP2004511017A

JP2004511017A - 周波数変調式液晶ビーム・ステアリング装置

Info

Publication number: JP2004511017A
Application number: JP2002533268A
Authority: JP
Inventors: ウィンカー，ブルース・ケイ; ジュアン，ジミン
Original assignee: ロックウェル・サイエンティフィック・ライセンシング・エルエルシー
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2004-04-08
Also published as: US6456419B1; WO2002029774A2; EP1322997A2; AU2002223179A1; CA2416282A1; WO2002029774A3

Abstract

電気的励起回路（７４）が、それぞれが独立に制御可能な周波数を有する複数の発振している電気的励起を生じる。１組の駆動電極（７２）はアレイにおいて分散されており、それぞれが励起の１つを受け取るように接続されている。デュアル周波数液晶（ＤＦＬＣ）材料（８２）がコヒーレント光ビームの経路の中に配列され、前記１組の駆動電極に近接して配置され電気的励起を受け取るヨウになっている。ＤＦＬＣは、受け取られた局所的な電気的励起の周波数との関係で局所的に変動する誘電係数を有している。電圧と励起の少なくとも２つの周波数とは、（少なくとも１つの偏極に対して）誘電率の所望のプロフィールを生じ、コヒーレント光ビームに対する対応の光学的位相遅延プロフィールとを生じるように制御される。好ましくは、新規な反射性の接地面（８８）が設けられて、光学的な反射効率を向上させる事ができる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くは、空間光変調と電子光学装置に関し、更に詳しくは、高速液晶回折ビームステアリング装置及び適応型光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速で非機械的なビームステアリング装置は、光ファイバ、レーザ通信、レーザ・レーダなど、高速の適応型光学装置を必要とする分野において、応用される。高いスイッチング速度、広いステアリング・レンジ、精密な角度分解能及び高い光学的効率が、そのような装置においては特に望まれる。
【０００３】
高速回折ビームステアリングへの従来型のアプローチの１つでは、液晶（ＬＣ）の電気光学的性質を利用している。このアプローチは、マイクロ波放射を方向付けるのに位相アレイを用いるのと類似しており、複数の文献で明確に説明されている。例えば、ＰａｕｌＦ．ＭｃＭａｎａｍｏｎ，ＥｄｗａｒｄＡ．Ｗａｔｓｏｎ，ＴｅｒｒｙＡ．ＤｏｒｓｃｈｎｅｒａｎｄＬａｗｒｅｎｃｅＪ．Ｂａｒｎｅｓ， ”ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＬｏｏｋａｔｔｈｅＵｓｅｏｆＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＷｒｉｔａｂｌｅＧｒａｔｉｎｇｓｆｏｒＳｔｅｅｒｉｎｇＰａｓｓｉｖｅＲａｄｉａｔｉｏｎ，” ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３２，Ｎｏ．１１，ｐｐ．２６５７−２６６４，（Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１９９３）；Ｄ．Ｐ．Ｒｅｓｌｅｒ，Ｄ．Ｓ．Ｈｏｂｂｓ，Ｒ．Ｃ．Ｓｈａｒｐ，Ｌ．Ｊ．ＦｒｉｅｄｍａｎａｎｄＴ．Ａ．Ｄｏｒｓｃｈｎｅｒ， ”ＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅｄ−ａｒｒａｙＢｅａｍＳｔｅｅｒｉｎｇ，” ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．９，ｐｐ．６８９−６９１（Ｍａｙ１，１９９６）；ＰａｕｌＦ．ＭｃＭａｎａｍｏｎ，ＴｅｒｒｙＡ．Ｄｏｒｓｃｈｎｅｒ，ＤａｖｉｄＬ．Ｃｏｒｋｕｍ，ＬａｒｒｙＪ．Ｆｒｉｅｄｍａｎ，ＤｏｕｇｌａｓＳ．Ｈｏｂｂｓ，ＭｉｃｈａｅｌＨｏｌｚ，ＳｅｒｇｅｙＬｉｂｅｒｍａｎ，ＨｕｙＱ．Ｎｇｕｙｅｎ，ＤａｎｉｅｌＰ．Ｒｅｓｌｅｒ，ＲｉｃｈａｒｄＣ．ＳｈａｒｐａｎｄＥｄｗａｒｄＡ．Ｗａｔｓｏｎ， ”ＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，” ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．，Ｖｏｌ．８４，Ｎｏ．２，ｐｐ．２６８−２９８，（Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９９６）；ａｎｄＯ．Ｄ．Ｌａｖｒｅｎｔｏｖｉｃｈ，Ｄ．Ｓｕｂａｃｉｕｓ，Ｓ．Ｖ．Ｓｈｉｙａｎｏｖｓｋｉｉ，ａｎｄＰ．Ｊ．Ｂｏｓ， ”ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＣｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃｇｒａｔｉｎｇｓ，” ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．３２９２，ｐｐ．３７−４３（１９９８）などを参照のこと。
【０００４】
液晶位相シフトによる回折ビームステアリングの背後にある原理が、図１に示されている。簡潔にする目的で、一方向型（単一角度）ステアリングが示されている。入射コヒーレント光ビーム２０が、その等位相面によって示されている。このビーム経路に仮想的なプリズム２２が挿入されたと想定すると、そのようなプリズムは、ビームにわたる光経路遅延（ＯＰＤ）の線形な勾配（ｌｉｎｅａｒｇｒａｄｉｅｎｔ）を生じさせることになる。この様子は、位相遅延プロフィール２４によって示される。プリズムは、方向ｘにおける変位に対して線形に変動する厚さを有しているから、一定の勾配を有する対応する線形位相遅延プロフィール２４を生じさせる。位相遅延の一定の勾配が生じることの結果として、ビーム２０の屈折が生じ、従って、結果的な出力ビームは、方向ベクトル２８によって示されているように新たな方向に伝搬する等位相波面２６を有することになる。
【０００５】
図１の構成では、生じる遠方の電磁場パターンに影響を与えることなく、２πの位相シフトを位相波面から周期的に減算することができる（それが、光ビームのちょうど１波長に対応するから）。従って、ＯＰＤ勾配２４によって生じるものと等しい屈折を生じさせるには、周期的なＯＰＤプロフィール３０によって示されているような周期的でノコギリ歯状すなわち「折り曲がった（ｆｏｌｄｅｄ）」位相プロフィールを生じさせれば十分である。位相プロフィール３０は、累積的な位相シフトが２π又はその整数倍に到達するときは常に位相がリセットされることを除いて、２４のものと同じである。ノコギリ歯状の位相プロフィール３０は、また、従来型のブレーズ格子（ｂｌａｚｅｄｇｒａｔｉｎｇ）によって生じるものと本質的に同じである。
【０００６】
図２には、単純化された反射モード装置が示されており、この装置では、液晶を用いて、図１に示されていたブレーズ格子プロフィールを近似する位相シフトを生じさせ、コヒーレント・ビームをステアリングしている。この図解は、米国特許第５，０９８，７４０号及び第５，０９３，７４７号（それぞれ、Ｄｏｒｓｃｈｎｅｒｅｔａｌ．及びＤｏｒｓｃｈｎｅｒに対するもの）に記載されている装置の単純な理想化である。ネマチック液晶４０の層が、反射性接地面電極４２と離散的で弾性的に異なる透明な電極４４のアレイとの間に挟まれている。電極アレイ４４の要素は、階段状の電圧ランプに従ってアレイの全体で段階的に変動する複数の駆動電圧に電気的に接続されている。電極電位の変動により、液晶層４０の内部の複数の点における電場強度がそれに対応して変動する。明らかに、電場は、静電的な原理に従って層の内部の位置と共に変動するが、平均的な電場は、ほぼ階段状のプロフィールで装置の全体で変動する。液晶層４０の材料はネマチック液晶であり、配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）が局所的に加えられた電磁場に依存するという性質を有している。従って、ＬＣの効果的な屈折率は（特定の偏極に対する）、距離ｘと共に変動し、光がＬＣ層を移動する間に結果的に生じる位相遅延もまた、ほぼ階段状ランプ４８のように変動する。
【０００７】
上述の装置において電気的に制御されたビームステアリングを実現するには、４４の反射性電極要素は、アドレシング電子装置を介して制御されることにより、所定の電圧が、ノコギリ歯状の光位相遅延関数を生じるのに必要な限度でこれらの要素に加えられることが可能となる。２πを減算することにより位相遅延が周期的にリセットされるように電圧が制御される場合には、結果的に得られるノコギリ歯状のＯＰＤプロフィール４８は、ｘ方向のこの装置にわたる線形位相遅延勾配を近似することになる。この関数を図１の位相関数と比較すると、結果的に得られる関数が反射性プリズムの位相遅延勾配を近似していることがわかる。このような勾配の効果は、反射性電極４４と共に考慮すると、入射（偏極した）放射２０は、電極アレイ４４に加えられた電圧プロフィールに関して調整可能な角度θで反射されることである。
【０００８】
図２の装置は、ビームステアリング装置としての前提を保持しているように見えるが、複数の重要なパフォーマンス・パラメータにおいて制限を有している。最も重要なことであるが、１．５５ナノメートルの重要な通信波長でこの装置によって現に達成可能なスイッチング速度は、約５００Ｈｚ未満に制限されている。この制限は、ネマチック結晶の駆動状態から緩和状態への比較的低速な緩和の結果としてもたらされる。液晶の複屈折を増加させることによってスイッチング速度を改善し、セル・ギャップ（ＬＣ層４０の厚さ）を減少させようとする試みはこれまでなされてきたが、複屈折をどのように増加させても、粘性が増加してしまい、よって、ＬＣの緩和時間が長くなってしまうのであった。スイッチング速度が低速であるのに加え、従来型のネマチックＬＣは、弾性的な固定力が弱く、従って、非常に大きな位相勾配は得られない。しかし、そのような勾配こそが、小さな格子ピッチと大きなステアリング角度（約５ミクロン未満のピッチ）にとって特に望ましいのである。
【０００９】
従来型のＬＣ光位相アレイ・ステアリング装置における別の問題としては、理想的なノコギリ歯状ＯＰＤ特性から離れてしまうという点である。図３では、典型的なＬＣ光位相アレイ・ビームステアリング装置の理想的なＯＰＤ特性と現実のＯＰＤ特性とを比較している。ＯＰＤ関数５８は、理想化された所望のノコギリ歯パターンを表している。波形のリセット部分６０は理想的には垂直であることに注意すべきであるが、このことが、位相がｘ方向の無限小の距離において２πからゼロにリセットされたことを意味しているのである。この理想化された特性は、物理的なＬＣ装置によっては実現不可能である。波形６２は、より現実的で達成可能な波形を表している。実際には、位相遅延の勾配は、有限の「フライバック」距離６４によって制限されている。実際の装置の光学的効率は、フライバック距離６４の長さと反比例の関係を有している。この距離が長くなるにつれて、入力ビームの更に多くの割合が望ましくない格子モードに回折される（二次モード又はそれより多く）。達成可能なフライバック距離は、液晶の弾性固定力（ｅｌａｓｔｉｃａｎｃｈｏｒｉｎｇｆｏｒｃｅ）と装置内部で生じうる電磁場の勾配とによって、制限される。結果的に、実際の装置の光学的効率は、液晶の弾性固定力とフライバック領域における男性的なフリンジ電磁場とによって制限される。
【００１０】
従来型の液晶位相アレイ・ビームステアリング装置は、利用可能なビームステアリング角度を離散的な角度増加分（インクリメント）に制限する。これは、従来型のピクセルの相互接続及び駆動方式の結果である。一般に、従来型のＬＣアレイでは、すべての電極要素が電気的に独立であるとは限らない。むしろ、すべてのｎ番目の電極が相互に接続されて周期的に反復的な一連の電極を形成しているのが典型的である。例えば、図２を参照すると、電極６５ａ及び６５ｂは、周期的なシーケンスで対応している他の電極と同じように、電気的に接続されている。ただし、図面を明瞭に保つために、すべての相互接続が図解されているわけではない。この周期的な相互接続方式は、利用可能なビームステアリング角度を制限してしまう。アドレシング可能なビームステアリング角度は、それぞれの電極サブアレイの全体で、２πの位相ランプの整数倍に対応するものに制限される。大きなサブアレイは多くの可能性がある整数因子（従って、多くのステアリング可能な角度）に対応することができるが、ステアリング可能な角度は、依然として、離散的な増加分に制限され、連続的に可変にはならない。この制限は、上述したＲｅｓｌｅｒｅｔａｌ．による文献において論じられている。
【００１１】
【発明の概要】
上述の問題に鑑み、本発明は、空間的な位相変調をコヒーレントな光ビームに対して行う装置及び方法である。本発明による装置及び方法は、特に、ビームステアリングに有用である。ただし、本発明による装置及び方法は、ビームに対するそれ以外の空間的光変調を行うのにも用いることができる。
【００１２】
本発明による装置では、電気的励起回路が、複数の発振する電気的励起を生じさせるのであるが、少なくともその中の２つは独立に制御可能な周波数を有している。１組の駆動電極がアレイに分散されており、それぞれが電気的励起回路から発振している電気的励起の１つを受け取るように接続されている。液晶材料が、コヒーレント光ビームを受け取るように配列され、駆動電極から局所的領域において電気的励起を受け取るように前記１組の駆動電極の近傍に配置されている。この液晶材料は、その局所的領域においてこれらの領域が受け取る局所的な電気的励起の周波数との関係で変動する誘電係数（少なくとも１つの偏極に対する）を有している。励起の周波数と好ましくは電圧とは、屈折率の所望のプロフィール（少なくとも１つの偏極に対する）と液晶層を横断するコヒーレント光ビームに対する対応の光位相遅延プロフィールとを生じるように制御される。
【００１３】
ある実施例では、少なくとも頂部電極は透明であり、本発明は、効率のよい反射性接地面を含んでいるが、この接地面は、コヒーレント光ビームの波長の半分の整数倍に等しい距離だけ駆動電極の背後に変位している。接地面は、位相コヒーレンシを損なうことなく反射領域を増加させることによって、光学的な効率を向上させる。
【００１４】
本発明は、一方向性又は双方向性いずれかのビームステアリング装置として実現することが可能である。一方向性の装置の場合には、電極は、細長く狭いストリップの直線アレイ状になっているのが好ましい。このような装置は、平面におけるビームステアリングに適している。双方向性の装置は、アドレシングが可能なマトリクスの二次元的なアレイであって、２つの独立の方向において同時に位相勾配を生じさせることができるものを含んでおり、それによって、ビームを２つの独立な角度、最も好ましくは直交する方向にステアリングすることができる。
【００１５】
本発明の以上の及びそれ以外の特徴及び効果は、以下で行う好適実施例に関する詳細な説明を添付の図面と共に参照することによってこの技術分野の当業者には明らかなはずである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明によるビームステアリング装置は、一方向型又は双方向型のいずれかのステアリング装置において実現することができる。説明の順序であるが、まず、一方向型の実施例について説明する。一方向型の装置の原理をいったん説明すれば、双方向型の実施例に関する説明は非常に容易になる。
【００１７】
図４は、一方向型の実施例の平面図を示している。複数の個別的に励起可能な駆動電極７０ａ、７０ｂ等が、駆動電極７２の線形アレイを集合的に構成している。電極の現実のサイズや数量はこの図において示すことはできないが、好ましくは、駆動電極は、１０ミクロン以下のオーダーのピッチで間隔がとられ、所望のビーム幅を充たすのに十分な数だけ用意されるべきである。ここでは、図解のために、僅かに数個の離散的な駆動電極だけが示されている。集積化された電気的励起回路７４は、適切な駆動信号を、アレイ７２における電気的に独立な駆動電極のそれぞれにルーティングする。電気的励起回路７４は、示されているようにアレイに沿って配置されるか、又は、それ以外の場合には、電極と電気的に通信するように配置される（例えば、別個の基板の上に）。好ましくは、励起回路７４は、アドレシング用の電子装置と共に集積化されて、外部プログラミング装置（図示せず）からのデジタル・アドレシング制御の下で、適切な駆動信号を対応する電極にルーティングする。
【００１８】
図５は、本発明による一方向型のビームステアリング装置の断面図を示している。透明な頂部電極８０は、角度θで入射する入来放射８１の経路の表面に配置されている。この透明な電極８０は、例えば、インジウム・スズ酸化物、又は、入射放射の波長で透過的である任意のそれ以外の導電材料から作られるのが適切である。ある例示的な実施例では、インジウム・スズ酸化物が、１．５５ミクロンの波長のコヒーレント・ビームと共に用いられる。
【００１９】
デュアル周波数複屈折液晶層８２が、７０ａ−７０ｇなどの複数の独立な駆動電極を含む駆動電極アレイ７２の間に挟まれている。このデュアル周波数液晶層の特性は本発明にとって特に重要性を有しており、後述する（「デュアル周波数液晶」）。アレイ７２の複数の電極（７２ａ、７２ｂなど）は、それぞれが、励起回路７４からの対応する複数の駆動出力（７４ａ、７４ｂ、７４ｃなど）によって駆動される。
【００２０】
複数の独立の駆動出力７４ａ、７４ｂ等を含む励起回路７４は、振幅（電圧）及び周波数が異なりうる複数の駆動信号を提供する。本発明によると、それぞれの周波数が異なる少なくとも２つの駆動信号を用いて、高い位相勾配と高速のスイッチング時間とを生じなければならない。
【００２１】
好ましくは、導電性の接地面８８が、電極アレイ７２の下にあり、共通の電位（「接地（グランド）」）に接続されて電極７２によって生じる電場に影響を与え、電極７２のフリンジ場を改善する。（ここで、「改善する」とは、電極間の電磁場を修正することによって液晶層においてより急峻な光位相勾配の発生が可能となるようにする、という意味である。）概略的に、接地面が基準電圧Ｖ３に接続しているように示されており、他方で、頂部電極８０が独立の基準電圧Ｖ２に接続しているように示されている。しかし、実施例によっては、接地面８８と透明な電極８０とは、共通の電位（任意に指定された「グランド」）に接続される。
【００２２】
図５の装置は、線形位相勾配のモジュロ（ｍｏｄｕｌｏ）２π周期での修正である位相勾配（任意のｘ方向の変位に関する位相遅延の勾配）をビームに対して加えることによって、コヒーレント・ビームを電子光学的にステアリングすることができる。このような勾配をビームに対して加えることによって、ＯＰＤ勾配の大きさとの関係で屈折的なビーム偏向が生じる。このようにして、入射ビーム８１が透明な電極８０を通過し、液晶層８２を横断し、反射性の電極７２から反射され（そして、接地面８８に対して幾分の角度だけ）、再び液晶層８２を逆の方向に横断し、結果的に新たな角度φで修正された位相プロフィールを有しながらこの装置から放出される。
デュアル周波数液晶
本発明によると、液晶８２は、「デュアル周波数」の液晶材料を含む。ここでは、「デュアル周波数液晶（ＤＦＬＣ）」とは、この材料に加えられる発振している電気歴励起の周波数の関数として変動する少なくとも１つの誘電係数を有している液晶材料を意味する。
【００２３】
ネマチックなＤＦＬＣ材料では、平行な誘電係数は非常に分散的である。我々は、「誘電異方性」という用語を、（ａ）液晶のネマチック方向に対して平行な電場に対する誘電係数と（ｂ）液晶のネマチック方向に対して垂直な電場に対する誘電係数との差であると定義する。ネマチックＤＦＬＣでは、誘電異方性は、材料に加えられた励起電圧の周波数の関数として変動する。この特徴によって、誘電異方性は、特に「クロスオーバ周波数」と称される特定の周波数で符号が変化することになる。この特徴によって、駆動励起の振幅と周波数とを制御することにより、液晶材料を任意の位相遅延状態に迅速に駆動することが可能になる。
【００２４】
典型的なＤＦＬＣの誘電係数の周波数依存性は、図６ａに示されている。液晶のネマチック・ディレクタ（ｎｅｍａｔｉｃｄｉｒｅｃｔｏｒ）に平行な電場に対する誘電係数は、曲線１０４としてグラフ化され、ネマチック・ディレクタに垂直な電場は平坦な関数（ｆｌａｔｔｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ）１０６である。クロスオーバ周波数１０８は、曲線１０４と曲線１０６との交点に生じる。
【００２５】
光位相遅延の電圧依存性は、図６ｂにおいて、同じ典型的なＤＦＬＣに対して示されている。２つの曲線ｆ_Ｈ及びｆ_Ｌが示されているが、それぞれが、高周波数及び低周波数液晶応答特性に対応する。この材料のデュアル周波数の特性は、高周波数特性が低周波数特性と全く異なっているという点において明らかである。一方の曲線が活性領域において正の勾配を有し、他方の曲線は負の勾配を有している。
【００２６】
デュアル周波数のネマチック液晶であって、本発明において用いるのに適切な性質を有するものは、市販されている。そのような材料は、例えば、日本の東京所在のチッソ株式会社から入手できる。
【００２７】
本発明は、ＤＦＬＣの分散的な周波数応答を用いて、材料の効果的な屈折率の電気的な変調を生じさせる。図７には、本発明によって用いられ所望の同調可能でノコギリ歯状の位相変調パターンを生じる適切な変調方式が示されている。この装置のほんの僅かな領域に対する位相プロフィールが示されている。
【００２８】
ＤＦＬＣ材料のＯＰＤは２つの独立の変数（励起の電圧及び周波数である。図６ａ及び図６ｂを参照のこと）の関数として変動するので、与えられた所望のＯＰＤ関数を生じさせるのに用いることができる周波数と電圧との可能な組合せは、多数存在する。しかし、２つのそれぞれの電極に対して２つの明確に異なる周波数が加えられるのが好ましく、位相プロフィールのフライバック領域を定義する２つの電極が最も好ましい。これによって、より高速なスイッチング時間とより短いフライバックと高い位相勾配とが可能になる。本発明によるある特定の変調方式の例は、図１１との関係で後述することにする。
【００２９】
光位相遅延（ＯＰＤ）の結果的な変調は、ＬＣ８２における位置の関数として図７に示されている。理論的で理想的な階段状関数９０は、より現実的な平滑化された関数９２と共に示されている。実際の関数９２は、不連続な変化を有していないという点で、理論的な関数と異なっている。位相遅延関数９２は、ブレーズされた格子位相プロフィールを近似している。
【００３０】
従って、装置に入射するコヒーレントな放射は、ＯＰＤ関数９２の勾配に関係する角度φ（図５に示されている）で反射される。
従来技術においてのように励起電圧の大きさだけを変調するのではなく、上述したようにＤＦＬＣの励起の周波数を制御することにより、いくつかの効果が得られる。これらの効果の中で最も重要なのは、スイッチング速度の改善である。電気的励起が従来型の電圧変調されたＬＣセルから取り除かれると、ＬＣ分子は、比較的弱い弾性力の影響によって、その平衡状態に受動的に戻る。この緩和プロセスは、比較的低速である。これとは対照的に、本発明は、発振している電圧を用いてそれぞれの電極を能動的に駆動する。このようにして駆動されたＤＦＬＣにより、受動的に緩和を行うＬＣの場合よりも迅速に分子的な配向が変化し、従って、１ＫＨｚよりも高速でのスイッチング速度が達成される。
【００３１】
本発明の別の効果としては、従来型のＬＣビームステアリング装置と比較して、光学的効率が改善されていることである。発明の背景を述べた際に既に言及したことであるが、理想的なノコギリ歯状のＯＰＤプロフィールを最良に実現するには、非常に短いフライバック距離が望ましい。フライバック距離が長くなると、必然的に、いくらかの光学的エネルギが望ましくない屈折のオーダーに分散される。与えられた材料に対する最小の取得可能なフライバック距離は、ＬＣの屈折率に対して得ることが可能な最大の勾配（グラジエント）によって制限される。従来型の構成では、「オフ」状態（電位が加えられていない状態）は、ＬＣの弱い弾性的復元力によってのみ維持される。駆動を上昇させても、その結果、勾配がある点を超えて増加するということはない。他方で、本発明では、効果的な屈折率の勾配は、強い駆動信号によって確立され、それによって、より大きな勾配が確立される。そして、勾配が大きいのであれば、フライバック距離（図７ｂのΔｘ_ｆｂ）はより小さくなり、その結果、最終的には、光学的効率が改善され、サイドローブ強度がそれに対応して低くなる。
【００３２】
本発明において得ることが可能なより大きな勾配によってもたらされるのは、より大きな角度範囲でビームを偏向させることが可能になるということである。生じる偏向は、距離（図５及び図７におけるｘ）に対するＯＰＤプロフィールの勾配との関係で変動する。電極を所定の周波数で駆動することによって、より大きな位相遅延勾配が生じることになる（複屈折の与えられた厚さ及び変動のＬＣに対して）。その理由は、既に述べたように、これが受動的な材料の緩和に依存しないからである。こうして、本発明は、同様の厚さを有する従来型のＬＣビームステアリング装置よりも大きな偏向を得ることを可能にする。
超回折制限型ステアリング（ＳｕｐｅｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ＬｉｍｉｔｅｄＳｔｅｅｒｉｎｇ）
多くの応用例において、ビームを連続的な偏向角度で偏向させて遠方電磁場ビーム（ｆａｒｆｉｅｌｄｂｅａｍ）を回折制限型ビームの幅よりも少なく移動させることが望まれている。このためには、偏向角度が連続的な角度から選択できることが必要である。本発明においてそのような結果を達成するには、２つのことが充たされれば十分である。第１に、ビームステアリング電極アレイ（図５を参照）によって、（周期的に反復している中のすべてのｎ番目の電極を接続するのではなく）少なくともビームのスポット・サイズにわたってそれぞれの電極を独立にアドレシング可能であることが好ましい。第２に、電極に対する電気的な駆動は、ビームにわたって線形で波長以下の位相ランプを加えることが可能であるべきである。
【００３３】
従って、本発明の好適実施例では、それぞれの電極は、アレイにわたって（好ましくは、アレイの全体で）、電気的に、独立に、アドレシング可能であり、電気的励起回路７４によって、ビーム全体で位相ランプの加算又は訂正が可能である。本発明における独立にアドレシング可能な電極により、ビームに対して、より複雑で非線形の位相訂正を行うことが可能になり、それによって、この装置は、適応的な光学サブシステムの訂正を行うことが可能となる。このような可能性は、特に、ステアリング角度範囲の極限における、大気的な乱れ、ビームのスルーイング（ｓｌｅｗｉｎｇ）及び光学的な異常に起因する動的な波面（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ）の歪みを訂正するのに有用である。
【００３４】
例えば、複雑な光学的訂正の調整を有していない単純で線形のビームステアリングでは、図７ｂに示されているように、モジュロ２πの位相関数が最適である。特に、位相勾配が、疑似周期的なモジュロ２πのパターンで与えられる。従って、電極におけるビームの位置ｘにおいて与えられる位相遅延は、モジュロ２πでωｘである。ただし、ここで、ωは、ｘ方向の変位に関する位相遅延の勾配（図７ｂにおけるランプ９２の平均の傾き）である。そのビーム偏向効果に関しては、結果的な位相プロフィールは、アレイにわたる一定で連俗な位相勾配に等しい。
高能率接地面
本発明の好適実施例では、高能率反射性接地面デザインが電極アレイ７２の背後に用いられ、光学的な能率を向上させている。好適な接地面の構成は、図８において詳細に示されている。１組の反射性接地面電極１００が、駆動電極アレイ７２の下側に構築されており、好ましくは、基板１０２（水晶又はシリコンが適切）によって支持されている。２組の電極は、透明で誘電性の絶縁層１０４（シリコン窒化物又はそれに類似の材料であるのが適切）によって支持されているが、その厚さは、この透明な絶縁層１０４を横断する光に対する波１つ分の遅延を生じるように選択されている（接地面１００から反射する往復分）。従って、アレイ７２の面における帰還する光の波頭は、７２から反射する放射と同相である。このようにして、反射性接地面の電極１００は、これがなければ電極（７０ａ、７０ｂなど）の間のギャップにおいて失われたであろう光の多くを回復し、破壊された反射された波面によって誤った位相ジャンプと共に生じたであろう回折損失を著しく減少させる。
【００３５】
また、好適な反射性接地面電極１００は、個々の駆動電極７０ａ、７０ｂなどの間の領域における望ましくないフリンジ電磁場（ｆｒｉｎｇｅｆｉｅｌｄ）効果を減少させる。少数の仮定的な電磁場線１１０が静電場に関して示されている。動作中の装置の実際の電磁場は動的であり、従って、計算し図解することは困難である。
【００３６】
接地面電極１００の反射面は、表面の不規則状態を＋／−２５ナノメートル未満まで減少させるように平坦化すべきである。駆動電極７２は、表面トポロジを＋／−２５ナノメートル未満まで減少させるように平坦化すべきであり、この程度が、一様なＬＣアライメントには要求されるのが通常である。
【００３７】
一連の別個の接地面電極１００に代わるものとして、図８に示されているように、連続的な１又は複数の接地面を用いて、ギャップの半波分の間隔を維持することができる。しかし、示されているような好適実施例は、アレイ７２の駆動電極の少なくともいくつかの下に電気的に独立な空間が生じるという点で、優れている。この空間は、アドレシング電子装置への接続のための信号バイアを提供することができる。例えば、バイア１２０が示されているが、このバイアは、誘電層１０４を通過し、電極７０ｄを下位にある回路に接続する。この回路は、（基板１２４の上の）層１２２に作成されたＶＬＳＩＣＭＯＳアドレシング駆動回路である。このような構成は、この直ぐ後で述べる双方向型ビームステアリング装置でも用いることができる。
双方向型ビームステアリング装置
本発明は、また、光ビームを２つの同一平面にない角度だけ偏向させる二次元ビームステアリングアレイとして実現することができる。双方向型実施例の動作原理は、本質的には、既に説明した一方向型のものと同一である。
【００３８】
図９には、双方向型ビームステアリング装置１２７の全体図が示されている。コヒーレント光ビーム１２８が二次元のピクセル化されたアレイの上に衝突するのであるが、このアレイは、ロー１３０及びコラム１３２で構成される従来型の矩形グリッドとして示されている。複数の矩形ピクセル１３４は、好ましくは、垂直なロー及びコラムとして構成されている様子が示されている。それぞれの矩形ピクセルは、それ自身の独立な駆動電極（図五の７０ａのような）を含む。図解のために、少数のロー及びコラムだけが示されているが、もちろん、実際の装置は、より多数を含むことが好ましい（例えば、２５６ｘ２５６）。
【００３９】
入射ビーム１２８は、ある入射角度で装置に衝突し、ある反射角度で反射する。この反射角度は、２つの独立な同一平面上にはない角度α及びβに分解される。ここで、αはｙｚ平面に対して平行な平面への反射された光線の射影角度であり、βは、ｙｘ平面への反射光線の射影角度である。これらの角度は、共に、二次元のビームステアリング装置１２７によって電子光学的に可変である。ただし、角度αはＯＰＤ勾配によってｘ方向に、角度βはＯＰＤ勾配によってｙ方向に、である。アレイにおけるそれぞれのピクセルは、独立にアドレシング可能であることが好ましい。所望の周波数による発振信号は、アドレシング入力に応答してそれぞれのピクセルにルーティングできる。
【００４０】
図１０は、図９の二次元アレイの断面を示している。この図は、図５（一方向型の場合）と本質的に同じであるが、アドレシング電子装置からステアリング電子装置７２への信号経路を可能にするバイアが必要である点だけが異なっている。図１０の構成は、一方向型及び双方向型いずれかの実施例（図４又は図９）に適しているが、一方向型の実施例（図４）では、アドレシング及び駆動電子装置を電極の直ぐ下ではなく電極に沿って横向きに配置することによって、バイアを不要とすることもできる。図１０では、アドレシング電子装置と励起回路７４とは、好ましくはＣＭＯＳ式に製造されるのであるが、基板１２４の上の下位層１２２において作られ、その上側の表面は平坦化される。次に、透明な誘電層（シリコン窒化物であるのが好ましい）が配置され、それを通過するようにバイア１２０がパターニングされる。次に、金属接地面のグランド・パッド１００が配置される。透明な絶縁体である別の層１０４が次に配置され、バイア１２０が、ピクセル・アドレシング出力から駆動電極７２まで、回路経路のためにパターニングされる。そして、駆動電極７２が配置され、その上にオーバレイ状態の材料が、一方向型の実施例（図４及び５）の場合と同じように配置される。
【００４１】
本発明の電極を駆動するには、数に制限がなく異なる組合せの周波数及び電圧を用いて、所望の位相勾配を生じさせることができる。ある特定の単純で有用な駆動方式が図１１に図解されているが、これは、限定を意味しない。この方式は、一方向型のステアリングに関してだけ図解されているが、先に説明したように、２つの独立の方向で用いることも容易である。
【００４２】
この特定の方式では、電極７２は、周期的で３相のパターンで反復する３つの異なる駆動信号によって駆動される。４つの電極（７０ａ−７０ｄ）が示されており、一連の電極の最後から次（フライバック領域）の一連の電極の最初までの変化を含むようになっている。フェーズ１及び２は、比較的低い周波数で駆動することによって達成されるが、フェーズ３は、それよりも高い周波数で駆動することによって達成される。フェーズ２は、低周波数であるが異なる振幅（電圧）で駆動することによって得られる。フライバック領域は、高い周波数と低い周波数との間にあり、従って、この駆動方式の中で得ることができる最高の勾配を用いる。適切な駆動周波数及び電圧は、実際のＤＦＬＣ特性曲線（特定の材料に関する図６ａ及び図６ｂの関数）を参照することによって決定することができる。
【００４３】
本発明による典型的な装置に関しては、１度（π／１８０ラジアン）よりも大きな角度のステアリング角度が得られ、その際の効率は、少なくとも５０パーセント（０．５）である。効率と横断されたラジアン角度との積として単位のない性能指数を定義するのであれば、本発明を用いれば、０．００８７を超える性能指数を得ることができる。
【００４４】
以上では、複数の例示的な実施例を示し説明したが、当業者であれば、多くの変形例や別の実施例を想到することができるだろう。ステアリング電極を、矩形パターン以外の形状に配列することが可能であり、例えば、６角形の形状やそれ以外の幾何学的パターンも可能であろう。材料は、要求に応じて、光の様々な波長に適応させることができる。電極の間隔を一様でないようにすることも可能であり、例えば、収差、大きなステアリング角度、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）などに対応させたり、波面の位相プロフィールを適応的に訂正することも可能である。透明な同等な実施例を、（透明な電極を用い、反射性要素を回避することにより）実現することも可能である。ピクセルのアドレシング及び周波数変調のための様々な従来型の手段を用いることもできる。この装置はこれまで主にビームステアリングに関する応用例に即して説明したが、空間光変調器としても有用であるし、ビーム対してほとんど任意の所望の位相訂正プロフィールを行うことができる。このような変形例及び代替的な実施例を想到することが可能であり、冒頭の特許請求の範囲において定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来型の屈折プリズムとの関係で図解されている従来技術によるビームステアリングの方法における波と位相との関係を示している断面図である。
【図２】
液晶材料を含む従来のビームステアリング装置の断面図である。
【図３】
従来技術による装置から生じる位相遅延プロフィールに対する位相遅延を変位の関数として示しており、また、比較のために理想的なプロフィールも示されている。
【図４】
本発明によるビームステアリング装置の平面図であり、一次元的なビームステアリングに適したものである。
【図５】
図４における切断線５に沿った断面図である。
【図６】
図６ａは、電気的励起周波数の関数としての電場と平行及び垂直な分子の方向に対する誘電係数のグラフであり、図５の装置において用いるのに適している例示的なデュアル視は液晶材料に対するものである。
図６ｂは、デュアル視は液晶材料に対する駆動電圧Ｖの関数としての光位相遅延（ＯＰＤ）のグラフであり、２つの異なる励起周波数に対する複数の曲線が示されている。
【図７】
本発明による典型的な励起プロフィールに応答して光ビームにおいて生じる位相遅延プロフィールのグラフであり、比較のために、理想化されたプロフィールも共に示されている。
【図８】
図５に示されている断面を拡大した詳細図であり、いくつかの実施例において用いられた好適な反射性接地面構造の電磁場の線及び詳細を示している。
【図９】
本発明の典型的な双方向型の実施例の全体図であり、これによると、２つの独立で同一平面にはない角度によるビームステアリングが可能となる。
【図１０】
図９における切断線１０に沿った断面図である。
【図１１】
部分的に断面図を含む、本発明によるＤＦＬＣビームステアリング装置を変調する特別の有用な方式を示す概略図である。

Claims

コヒーレント光ビームに対して空間的な位相変調を行う電子光学的空間光変調器であって、
アレイに分散されており、それぞれが発振する電気的励起を受け取るように構成されている１組の駆動電極（７２）と、
前記コヒーレント光ビームを受け取るように配列され、前記１組の駆動電極に近接して配置され、前記駆動電極からの電気的励起を局所的領域において受け取る液晶材料（８２）と、
を備えており、前記液晶材料は、前記領域によって受け取られる前記局所的電気的励起の周波数に関係して前記局所的領域で変動する誘電率を有していることを特徴とする電子光学的空間光変調器。
請求項１記載の空間光変調器において、前記１組の駆動電極に前記複数の発振する電気的励起を提供する電気的励起回路（７４）を更に備えており、
前記複数の電気的励起は、それぞれの複数の独立な選択可能な周波数で発振することを特徴とする空間光変調器。
請求項２記載の空間光変調器において、前記励起回路は、１００Ｈｚから５００ｋＨｚの周波数範囲における発振する電気的励起を提供することを特徴とする空間光変調器。
請求項１記載の空間光変調器において、
前記液晶材料の第１の表面の上に配置され前記コヒーレント光ビームを受信及び送信するように配列されている透明な頂部電極（８０）を更に備えており、
前記駆動電極は、前記液晶材料によって前記第１の表面から分離されている第２の表面にわたってあるパターンで分散されている平坦で反射性の電極を備えており、よって、前記第１及び第２の表面は液晶材料の層を画定しており、
前記励起は、前記透明な頂部電極と前記駆動電極との間に加えられた発振する電位であり、それによって、前記液晶層において発振する電場が確立されることを特徴とする空間光変調器。
請求項４記載の空間光変調器において、
光学的に反射性であり導電性の接地面（８８）を更に備えており、前記接地面は、前記コヒーレント光ビームに対する半波長の整数倍に実質的に等しい距離だけ前記電極の背後に変位していることを特徴とする空間光変調器。
請求項５記載の空間光変調器において、前記接地面は、非導電性領域によって相互に分離されている複数の光学的に反射性の導体に分割され、前記反射性の導体は、前記駆動電極に対してずれていて前記駆動電極の間を通過する前記コヒーレント光ビームからの放射を受け取り反射することを特徴とする空間光変調器。
請求項１記載の空間光変調器において、前記液晶材料は、誘電異方性と駆動周波数との間のその関係におけるクロスオーバ・ポイントを有するネマチック液晶を含み、
前記クロスオーバ・ポイントは、誘電異方性が符号を変更する周波数であり、
誘電異方性は、前記液晶のネマチック方向軸と（ａ）平行な電場に対する誘電率と前記液晶のネマチック方向軸に対して（ｂ）垂直な電場に対する誘電率との差として定義されることを特徴とする空間光変調器。
コヒーレント光ビームの全体に光学的位相遅延勾配を加えることによって前記コヒーレント光ビームを電子光学的にステアリングする方法であって、
前記コヒーレント光ビームの経路に配列されている周波数応答性の液晶（８２）であって、局所的に加えられた発振している電磁場の周波数に応答して局所的に変動する誘電率を有する液晶（８２）の薄い層を提供するステップと、
前記層の全体に空間的に分散された複数の独立の電気的励起を用いて前記液晶を駆動することにより、前記層の全体にわたって少なくとも１つの方向に誘電率の空間的変動を生じさせるステップと、
を含んでおり、前記複数の電気的励起には２つの周波数を有する少なくとも２つの励起を含み、
よって、前記液晶層を横断するコヒーレント光ビームに対する光学的位相遅延の勾配を生じさせて前記コヒーレント光ビームをステアリングすることを特徴とする方法。
請求項８記載の方法において、前記コヒーレント光ビームを反射性の電極（７２）から反射させるステップを更に含むことを特徴とする方法。
請求項８記載の方法において、前記励起は前記液晶層の全体に二次元マトリクス状に分散され、それによって、２つの独立な同一平面にはない角度によってビームをステアリングする勾配を、２次元のベクトルに沿って生じさせることが可能になることを特徴とする方法。
請求項１０記載の方法において、前記液晶に加えられる前記励起はおよそモジュロ（ｍｏｄｕｌｏ）２πでのｘとｂとの乗算結果の位相シフトを生じるように予め定義されており、ｘは個々の電極に位置を割り当てる位置インデクスであり、ｂはｘ方向の位相勾配であり、よって、モジュロ２πのパターンで０から２πまでの間を変動する位相ランプを前記ビームに与えることを特徴とする方法。
請求項８記載の方法において、前記電極は二次元アレイでパターニングがなされており、前記液晶に加えられる前記励起はおよそモジュロ２πでのｙとｃとの乗算結果の第２の方向の位相シフト勾配を生じるように定義されており、ｙは個々の電極に第２の位置要素を割り当てる第２の独立な位置インデクスであり、ｃはｙ方向の位相勾配であり、よって、モジュロ２πのパターンで０から２πまでの間を変動する位相ランプを前記ビームに与えることを特徴とする方法。
コヒーレント光ビームの全体に光学的位相遅延勾配を加えることによって前記コヒーレント光ビームを電子光学的にステアリングする装置であって、
前記ビームを受信及び送信するように配置されている透明な頂部電極（８０）と、
前記ビームを受けとり反射するように配置されている１組の反射性駆動電極（７２）と、
前記ビームの経路の中であって前記頂部電極と前記１組の反射性駆動電極との間に位置している液晶層であって、前記頂部電極と前記反射性駆動電極との間の前記層の全体に加えられた発振している電磁場の周波数との関係で変動する誘電率を有し、前記ネマチック方向軸に平行な液晶層（８２）と、
前記駆動電極のそれぞれに接続された複数の出力を有しており、前記出力の少なくとも２つは周波数に関して独立に可変であり、前記液晶層の全体で光学的位相位相の勾配を生じさせる電気的励起回路（７４）と、
を備えていることを特徴とする装置。
請求項１３記載の装置において、前記駆動電極の下側に配置された反射性接地面を更に備えていることを特徴とする装置。
請求項１４記載の装置において、前記反射性接地面は、
前記駆動電極の直ちに下側にあり前記コヒーレント光ビームに対する波長の整数倍に実質的に等しい厚さを有する透明な材料（１０４）と、
前記透明な材料の下側に存在し前記駆動電極のフリンジ場を修正する少なくとも１つの反射性接地面電極と、
を備えていることを特徴とする装置。
請求項１５記載の装置において、前記接地面電極と前記頂部透過性電極とは前記駆動電極に関して共通の電位にあり、前記下側の電極は前記共通の電位との関係で電位が独立に発振することを特徴とする装置。
請求項１３記載の装置において、前記液晶材料は、誘電異方性と駆動周波数との間のその関係におけるクロスオーバ・ポイントを有するネマチック液晶を含み、
前記クロスオーバ・ポイントは、誘電異方性が符号を変更する周波数であり、
誘電異方性は、前記液晶のネマチック方向軸と（ａ）平行な電場に対する誘電率と前記液晶のネマチック方向軸に対して（ｂ）垂直な電場に対する誘電率との差として定義されることを特徴とする装置。