JP3814366B2

JP3814366B2 - Liquid crystal wavefront modulation device and driving method thereof

Info

Publication number: JP3814366B2
Application number: JP05971897A
Authority: JP
Inventors: ヴェルナークラウス; 昌史井出; 康鈴木
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2017-02-07
Also published as: JPH10221703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野及び従来技術】
ネマチック液晶（ＬＣ）波板を介する光学波面制御の関心はますます高まっている。適応性光学、光学信号処理および自由空間レーザ通信等リサーチ分野におけるレーザビームの能動的制御装置が開発されている。
このような装置の人気の理由は、ＬＣの強い複屈折を１０Ｖ以下の電圧で変調する可能性、あらゆる機械的運動に対する自由度、小型化、軽量化、および低電力消費量にある。
【０００２】
例えば、衛星上または光学地上局の様な、光学的トランシーバーにおいて約１マイクロラジアンの出入りレーザービームの角度の微小制御は、数１００ｋｍから数１０００ｋｍにわたる良好な光学通信を達成維持するために不可欠である。機械的手段を介した、所定の精密な方向性の制御を得る事が困難のため、非機械的ディフレクターについての研究が促進されて来ている。
【０００３】
非機械的要素を光学系に挿入すると、可動部品数が減少し、且つ系統の必要条件が達成される。
電子光学および音響光学装置の他、液晶パネルはビームディフレクターとして極めて魅力的候補である。
ＬＣマイクロ光学分野で、他に熱心に研究された分野としては、ＬＣの有効屈折率を二次関数を用いて空間的に変調することによる、レンズの合焦性のエミュレーションすることである。
【０００４】
低電圧でレンズのＦ数を強力に変更しえる可能性は、最近多くの数の実現可能性のあるアイディアを誘発した。ＬＣレンズは、一次元変調能力を持つ２つの装置、例えば、２つの円筒型ＬＣレンズを互いに重さねあわせるか、または直接的に二次元変調をさせる電極構造体を使用することにより実現できる。
ＬＣ装置の開発において、リサーチャーはこれまでは、次の２つの形式の電極構造体に注目してきた。即ち（ｉ）液晶が多数の独立狭小ストライプ状低抵抗電極からなる手段により変調される分離構造体と、（ｉｉ）異なる抵抗区域を有する広幅の電極が、電極面で生ずる直線または非直線電圧傾度を介し液晶を変調する連続構造体とである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前者の提案の利点は、高伝達効率と電極の容易な製作性にある。しかし、多数の電極のため、複雑なＬＣドライバーの製作に高い費用がかかる。後者の提案はＬＣドライバーの複雑さを抑制するが、高い光学的生産性は未だ報告されていない。
【０００６】
本発明は、両提案に見られる利点を組み合わせることを目的とする電極構成を提供する。
発明の概要
本発明の目的は、ビームディフレクター、球面状又は円筒状の単一のマイクロレンズまたは、それらのレンズアレー等に適用性を有する液晶光学波面変調装置の新たな電極構成を提供することにある。
【０００７】
この構成は従来技術の改良であり、それは従来技術に比べて制御信号数を減少し、以前の装置よりも製作方法が複雑でなく、直線および非直線的空間光学波面変調を発生する実用手段を含む。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、光学ビームを偏向し（直線波面変調）、光学ビームを合焦する（非直線波面変調）装置を提供することにより開示される。しかし、この発明の範囲はここに述べる装置により限定されないで、任意に波面を発生する為のＬＣ変調装置も考慮されるべきである。
【０００９】
本発明は上記した目的を達成する為、本発明に係る電極の構造としては、以下に示す様な基本的な技術構成を採用するものである。即ち、光学ビームを波面変調するための液晶波面変調装置において、光学的に透明な共通電極を有する第１窓と、直線ストライプ形状をした多数の電極を互いに平行に配したストライプ電極と、前記多数のストライプ電極を束ねるために前記それぞれのストライプ電極の両端部に設けられている第１の接合電極と第２の接合電極と、前記第１の接合電極の両端に配されている、制御信号を印加するための第１と第２の制御電極端子、及び前記第１の制御電極端子が設けられている前記第１の接合電極の一方の端部と対向する前記第２の接合電極に於ける一方の端部に設けられた第３の制御電極端子と、前記第２の制御電極端子が設けられている前記第１の接合電極の他方の端部と対向する前記第２の接合電極に於ける他方の端部に設けられた第４の制御電極端子とを有する第２窓と、前記第１窓と前記第２窓の中間に設けられた液晶分子層とを含む光学要素を備える液晶波面変調装置であって、前記ストライプ電極を構成する電極材料の抵抗率は、前記接合電極を構成する電極材料の抵抗率よりも低くなる様に設定されている事を特徴とする液晶波面変調装置変調装置であっても良い。
又、本発明に於ける当該液晶波面変調装置は、光学ビームを波面変調するための液晶波面変調装置に於いて、光学的に透明な共通電極を有する第１窓と、ストライプ形状を呈し、且つ互いにその内径を異にする多数を半円環形状ストライプを同芯円状に配置したストライプ電極と、前記多数のストライプ電極を束ねるために前記それぞれの半円環形状ストライプ電極の両端部に設けられている接合電極と、前記それぞれの接合電極の両端に配されている制御信号を印加するための一対の制御電極端子とを有する第２窓と、前記第１窓と前記第２窓の中間に設けられた液晶分子層とを含む光学要素を備える液晶波面変調装置であって、前記半円環形状ストライプ電極を構成する電極材料の抵抗率は、前記接合電極を構成する電極材料の抵抗率よりも低くなる様に設定されており、且つ前記接合電極は、前記ストライプ電極の円環形状の中心点を通り、その直径方向に沿った両方向に延展して、前記接合電極の両端部が最外周に位置するストライプ電極から突出するように設けられており、且つ前記接合電極は、前記円環形状の中心部から前記一方の突出部に向けて外方に延展している互いに略平行した２本の電極からなる第１の接合電極と、前記円環形状の中心部から前記他方の突出部に向けて外方に延展している互いに略平行した２本の電極からなる第２の接合電極とで構成され、前記各半円環形状ストライプ電極のそれぞれの一方の端部が前記第１の接合電極と接合し、前記各半円環形状ストライプ電極のそれぞれの他方の端部が前記第２の接合電極と接合しており、前記第１の接合電極の前記突出部を形成する両端部のそれぞれに設けられた、制御信号を印加するための第１の制御電極端子と第２の制御電極端子、及び前記第１の制御電極端子が設けられている前記突出部を含む側の前記第１の接合電極に接続されている一部の半円環形状ストライプ電極に於ける他方の端部が接続されている側の前記第２の接合電極から突出している前記突出部に設けられている第３の制御電極端子と、前記第２の制御電極端子が設けられている前記突出部を含む側の前記第１の接合電極に接続されている一部の半円環形状ストライプ電極に於ける他方の端部が接続されている側の前記第２の接合電極から突出している前記突出部に設けられている第４の制御電極端子とを有する事を特徴とする液晶波面変調装置であっても良い。
【００１０】
当該装置は更に、ストライプ電極と同じまたは異なる材料よりなる接合電極をさらに備え、ストライプ電極の抵抗率は、好ましくは、低く、一方、接合電極の抵抗率は好ましくは高く設定し、それによって各セルに高入力抵抗を与えるものであり、当該接合電極は発光している活性領域を包む電極構造体に含まれるかまたは活性領域外に設けられる事を特徴とするものである。
【００１１】
又、当該装置に於ける該接合電極は、ＬＣドライバーから電圧を供給する２つ又は２以上の位置で低抵抗金属電極に接続されるものである。
一方、当該装置に於いては、０度と３度間の予め定めた傾斜角度でＣＬ層のＬＣ電子光学特性の直線部分内からの電圧で活性区域をアドレスすることにより、透過または反射光学波面からなるブレーズ効果をもつ相特性を発生することによって光学ビームを偏向するのに使用される事を特徴とするものである。
【００１２】
又、本発明に係る当該装置は、５度と２０度間の予め定めた傾斜角度でＬＣ層のＬＣ電子光学特性に於ける低電圧領域での非直線部分内から得られる電圧で活性区域をアドレスすることにより、透過または反射光学波面の２次相プロフィールを発生することによって光学ビームを合焦させるのに使用される事に特徴があり、更に、当該装置は、近傍にある接合電極に印加される２つの交流電圧は同じ振幅と同じ周波数を有するが１８０度位相がずれている（反対極性）事を特徴とするものである。
【００１３】
【実施例】
本発明に係る装置は、単色光用光学液晶波面変調装置は２つの光学的透明窓の間に閉じ込められる均質に配列された液晶層を含んでいる。
この装置は、第１の窓上に光学的に透明な共通電極と、第２窓に多数の光学的に透明で、互いに平行なストライプ状電極（以下単にストライプ電極と言う）とを有する。
【００１４】
実現される装置に付いては、該ストライプ状電極の長手方向の形状は真っ直ぐであっても良くまたは曲がっていても良い。第２の窓では、Ｎ個のストライプ状電極は抵抗材料の１つ以上の単一ストライプ電極（以下単に接合電極と言う）を介し周期的に接合されＭ個の束のストライプ状電極の束を形成し、図１に示すように、各束は液晶セル（以下単にセルと言う）を表す。
【００１５】
各束の２つの外側のストライプ状電極は、それぞれ、２つの独立した制御信号（例えば交流電圧信号）が供給される。従って、多数の制御信号（ＮｘＭ）はセル毎に２つの信号（２ｘＭ）に減少される。
２つの異なる電圧の印加により接合電極に沿って直線電圧傾度を生ずる。これはまた、セル領域に亘って直線電圧傾度を生ずる。この直線電圧傾度は、液晶の電子光学応答およびアドレス電圧に依拠して、液晶分子ー屈折率の直線または非直線空間変化をもたらす。
【００１６】
波面変調は、図２に示すように液晶の電子光学応答の直線または非直線部分により達成される。電子光学特性に関する形状は、液晶パラメータ、予め定めた傾斜、弾性定数、誘電率等から決められる。
たとえば、低い予め定めた傾斜による配列によりシャープなしきい値と当該しきい値の直後に続く大きい直線状領域が提供される。
【００１７】
高い傾斜整列（５ー２０度）により、低電圧領域において電子光学応答の２次変調を得る。電子光学応答の直線部分は、ビーム偏向の様な直線変調の目的に、またはブレーズ効果を持たせた三角形回折格子をシミュレートするのに使用される。２次曲線部分はレンズによる波面変調をシミュレートするのに使用される。１次元変調能力を有する装置、例えば、ＬＣ円筒状レンズを、２次元変調能力を有する装置、例えば、球面レンズへ拡張したものが図３に示されている。
【００１８】
直線形のストライプ状電極は、２次元変調領域に於ける好ましい形状、つまり円形または楕円により曲がった形のストライプ状電極に代えられる。接合電極の外端部は、ＬＣドライバーの電圧を供給する低抵抗金属電極に接続される。
近傍の接合電極に、同波形、同振幅Ａおよび同周波数であるが、位相差が１８０度の交流電圧、すなわち、極性の異なる電圧が供給される。異なる極性を接合電極の端部に印加すると、接合電極の中間はゼロボルトになる。従って、接合電極の前半部分より成るＬＣ領域は、従ってＡボルトから０ボルトに空間的に変調され、図４に示すように、接合電極の後半部分より成る領域は０ボルトからＡボルトに空間的に変調される。接合電極の両部分は電子光学特性の同部分をアドレスするので、放物状の２次元空間変調が得られる。
【００１９】
以下に本発明にか係る装置の好ましい具体例を説明する。
図１は、本発明に於ける好ましい具体例の一つを示すものであって、本発明に於ける好ましい電極構造の一つが図示されている。
係る具体例に於いては、一対の上下の端子１２０と１２２には、それぞれ同じレベルの電位ΦＡが印加せしめられており、一方、他の対である上下の端子１２６と１２８には、それぞれ同じレベルの電位であるが、上記電位ΦＡとは異なる電位Φが印加せしめられている。
【００２０】
一方、端子１２０と１２６との間に薄膜抵抗線１０６が設けられると共に、端子１２２と１２８との間に薄膜抵抗線１０８が設けられている。
当該抵抗線はクロム薄膜、或いはニッケル−クロム合金薄膜、タンタル薄膜、モリブデン薄膜等で形成されるものであっても良い。
更に、例えば、錫、インジウムから形成される酸化性薄膜の様なＩＴＯ膜である金属酸化膜も使用する事が可能である。
【００２１】
該電極端子１２０と１２２の間に形成される電圧レベルは、一定に維持され、従って、それらが互いに低抵抗である金属電極１３１を介して接続されていることから、該電極端子１２０と１２２の間は等電位に保持される。
同様に、該電極端子１２６と１２８の間に形成される電圧レベルは、一定に維持され、従って、それらが互いに低抵抗である金属電極１３８を介して接続されていることから、該電極端子１２６と１２８の間は等電位に保持される。
【００２２】
一方、上記等電位電極線１３１と１３８との間は、上記したものと同様の複数の低抵抗金属電極で、それぞれ１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７は、ストライプ状の形状を有するものが設けられ且つ互いに平行となる様に配列せしめられている。
ここで、注目すべき点は、それぞれの金属電極の両端部は、個別に該抵抗線１０６と１０８の個々の電位分割点に接続せしめられており、その結果、該電極１３１と電極１０８の間で且つ当該電極１３１と１３８の長手方向には、等電位状態が常に形成される事になり、一方当該電極１３１と１３８の長手方向と直角の方向には、階段状に変化する電位が形成される事になる。
【００２３】
上記した様な電極構造は、例えば、透明ガラス板或いはそれに類するものの上に形成する事が出来る。
又、透明性膜でより好ましくは高抵抗性の透明導電性膜の様な高抵抗性膜が、上記した互いに平行に配置形成された金属電極１３１、１３８、又は低抵抗性ＩＴＯ膜、の表面上に形成された場合、当該電極１３１と１３８の間に形成される電位は、ある傾斜を以て変化する様になる。
【００２４】
例えば、当該電極１３１に１０・ΦＡの電位を与え、又電極１３８に３・ΦＡの電位を与えると、電位１０・ΦＡから電位３・ΦＡに向けて直線的に電位が変化する膜面が出来る。
金属電極１３２から１３７の存在によって、当該電極間に形成された、所定の傾斜を持つ等電位線が形成され、当該等電位線は、互いに平行に配置されている該電極１３１と１３８の長手方向と常に平行した形状を示す。
【００２５】
上記した電位に於ける所定の傾斜を持った電極膜層がその表面に形成されている透明ガラス板と透明導電性膜をその表面に形成したガラス板とを対向させて、且つ両者間に空間が形成される様に数ミクロン（μｍ）の間隔を開けて、互いに平行になる様に配列し、そして、当該空間部に液晶（ＬＣ）を充填して、当該液晶の配向が当該ガラス基板の表面と平行となる様に設定する事によって、光学変調素子が得られるのである。
【００２６】
本発明に係る具体例に於いては、該低抵抗線１３１から１３８により生ずる効果の故に、高効率で歪みが少ないと言う特徴を持った高性能の光学変調素子が得られる。
図２は、有効複屈折Δｎと液晶電圧との関係を示すグラフであり、当該グラフに於いて、横軸は液晶の駆動電圧を示すものであり、又縦軸は有効複屈折を表わすものである。
【００２７】
係るグラフから明らかな様に、個々のグラフは、直線的な変調領域と曲線的な変調領域とで構成されている。
従って、かかる曲線的な変調領域を利用すると、薄いガラスレンズが、直交入射光波に対して、位置要素の関数に関して球面レンズと同等の効果を発揮する。更に、本具体例に於いては、その曲率の変化を、当該液晶に印加される電圧を変化させる事により、制御する事が可能である。
【００２８】
図３は、本発明に係る電極構造の他の具体例を示す図であり、図中、図１に示すと同様に、電極端子３０６、３０８、３０２、及び３０４は抵抗線３７１、３８１、３５１、３６１に個別に接続されており、更に、一対の抵抗線３７１と３５１の間、及び一対の抵抗線３８１と３６１の間には、互いに同心円状に配置された複数の半円形をした細幅状の電極群が接続せしめられており、例えば複数の半円形をした細幅状の電極群３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１９及び３４０は抵抗線３７１と３５１との間に接続せしめられている。
【００２９】
図３に注目すると、ストライプ（細幅）状電極３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１９及び３４０は、パターン化された低抵抗性の薄膜であり、ガラス基板の表面に形成されている。
この具体例に於いては、それぞれの半円形ストライプ状電極は個々の電圧を有しており又それぞれ等電圧を示している。
【００３０】
ある電圧、例えば、−Ｖの電圧が、等しく両電極端子３０６と３０８に印加され、別の電圧、例えば、＋Ｖの電圧が、等しく両電極端子３０２と３０４に印加され時に、電位は抵抗線３８１と３６１から円の中心の方向に向かって上昇し、その中心で０Ｖとなり、更に当該円の中心から抵抗線３７１と３５１に向かう方向に上昇して＋Ｖなる電圧となる。
【００３１】
係る具体例に於いては、例えば厚さが１００〜４００ｎｍのＩｎＳｎ2 Ｏ3 膜の様な高抵抗性透明導電薄膜が該低抵抗性のパターン化された電極膜の表面に形成されるか、或いはガラス基板と該低抵抗性のパターン化された電極膜との間に形成された部位に形成された場合には、レンズとして使用可能な曲率電位分布を有するガラス基板を得る事が出来る。
【００３２】
上記したガラス基板と、表面全体に透明導電膜が形成された別のガラス基板とを、その間に或る間隔、例えば数μｍの間隔を開けて互いに平行に対向した配置すると同時に上記ガラス基板の間に形成された空間に液晶層を形成し、当該液晶の配向を該ガラス基板の表面と平行になるように設定すると、本発明に於ける液晶波面変調を持つ電極構造が得られる。
【００３３】
本具体例に於いて、当該液晶の配向を該ガラス基板の表面と平行に設定する事に限定せずに、非平行となる様に、つまりツイストタイプに設定することも可能である。
本発明に於いては、円形の電極で、個々の電極が等電位性を持ってる構成に基づき、ガラスレンズに関しては、球面歪みのない電界が形成され、従ってレンズとしての特性が向上する。
【００３４】
上記した具体例に於いては、ΦＡ、ΦＢ、ΦＡ（＋）、−Ｖ、＋Ｖ等で示される電位としては、例えば、５〜１０ボルトで１〜１０００Ｈｚの様な交流パルス源を実際の電圧源として使用する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の電極構造の一具体例を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の電極構造に於ける特性値を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明の電極構造の他の具体例を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の他の具体例に於ける電極構造に於ける特性値を示すグラフである。
【符号の説明】
１２０、１２６、１２２、１２８…端子
１０６、１０８…薄膜抵抗線[0001]
TECHNICAL FIELD AND PRIOR ART
Interest in optical wavefront control via nematic liquid crystal (LC) wave plates is increasing. Active control devices for laser beams in research fields such as adaptive optics, optical signal processing and free space laser communications have been developed.
The reason for the popularity of such devices is the possibility to modulate the strong birefringence of the LC with a voltage of 10V or less, the freedom to any mechanical movement, miniaturization, weight reduction, and low power consumption.
[0002]
For example, fine control of the angle of the incoming and outgoing laser beams of about 1 microradian in an optical transceiver, such as a satellite or an optical ground station, is essential to achieve and maintain good optical communication ranging from several hundred to several thousand kilometers. . Research on non-mechanical deflectors has been promoted because it is difficult to obtain a predetermined precise direction control through mechanical means.
[0003]
Inserting non-mechanical elements into the optical system reduces the number of moving parts and achieves system requirements.
In addition to electro-optic and acousto-optic devices, liquid crystal panels are very attractive candidates as beam deflectors.
Another field that has been intensively studied in the LC micro-optics field is the emulation of lens focusing by spatially modulating the effective refractive index of the LC using a quadratic function.
[0004]
The possibility of strongly changing the F number of the lens at low voltages has recently triggered a large number of possible ideas. The LC lens can be realized by using two devices having a one-dimensional modulation capability, for example, by using an electrode structure in which two cylindrical LC lenses are overlapped with each other or directly two-dimensionally modulated.
In the development of LC devices, researchers have so far focused on the following two types of electrode structures. That is, (i) a separation structure in which the liquid crystal is modulated by means of a plurality of independent narrow stripe-shaped low resistance electrodes, and (ii) a wide electrode having different resistance areas, a linear or non-linear voltage gradient generated on the electrode surface. And a continuous structure that modulates the liquid crystal via
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The advantages of the former proposal are high transmission efficiency and easy fabrication of electrodes. However, due to the large number of electrodes, the production of complex LC drivers is expensive. Although the latter proposal reduces the complexity of the LC driver, high optical productivity has not yet been reported.
[0006]
The present invention provides an electrode configuration aimed at combining the advantages found in both proposals.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a new electrode configuration of a liquid crystal optical wavefront modulator having applicability to a beam deflector, a spherical or cylindrical single microlens, or a lens array thereof. is there.
[0007]
This configuration is an improvement over the prior art, which reduces the number of control signals compared to the prior art, is less complex to manufacture than previous devices, and provides a practical means of generating linear and nonlinear spatial optical wavefront modulation. Including.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is disclosed by providing an apparatus for deflecting an optical beam (linear wavefront modulation) and focusing the optical beam (nonlinear wavefront modulation). However, the scope of the present invention is not limited by the apparatus described herein, and an LC modulator for arbitrarily generating a wavefront should be considered.
[0009]
In order to achieve the above-described object, the present invention employs the following basic technical configuration as the electrode structure according to the present invention. That is, in a liquid crystal wavefront modulation device for wavefront modulating an optical beam, a first window having an optically transparent common electrode, a stripe electrode having a plurality of linear stripe-shaped electrodes arranged in parallel to each other, In order to bundle the stripe electrodes, a first junction electrode and a second junction electrode provided at both ends of each stripe electrode , and a control signal disposed at both ends of the first junction electrode, In the first and second control electrode terminals for applying, and in the second junction electrode facing one end of the first junction electrode provided with the first control electrode terminal A third control electrode terminal provided at one end and a second control electrode opposite to the other end of the first joint electrode provided with the second control electrode terminal; Provided at the other end 4 is a liquid crystal wavefront modulation device including an optical element including a second window having four control electrode terminals, and a liquid crystal molecular layer provided between the first window and the second window. The liquid crystal wavefront modulation device modulation device may be characterized in that the resistivity of the electrode material to be configured is set to be lower than the resistivity of the electrode material that constitutes the bonding electrode.
The liquid crystal wavefront modulation device according to the present invention is a liquid crystal wavefront modulation device for wavefront modulating an optical beam, and has a first window having an optically transparent common electrode, a stripe shape, and A stripe electrode having a plurality of semi-annular stripes concentrically arranged with different inner diameters and a plurality of stripe electrodes provided at both ends of the respective semi-annular stripe electrodes for bundling the stripe electrodes. A second window having a bonding electrode and a pair of control electrode terminals for applying a control signal disposed at both ends of each bonding electrode; and between the first window and the second window A liquid crystal wavefront modulation device comprising an optical element including a provided liquid crystal molecular layer, wherein the resistivity of the electrode material constituting the semi-annular stripe electrode is based on the resistivity of the electrode material constituting the junction electrode. The junction electrode passes through the center point of the annular shape of the stripe electrode and extends in both directions along the diameter direction, and both ends of the junction electrode are at the outermost periphery. The joint electrode is provided so as to protrude from the stripe electrode located at the center of the ring shape, and the junction electrode extends outwardly from the annular central portion toward the one protrusion. A first joining electrode made up of two electrodes, and a second joining electrode made up of two substantially parallel electrodes extending outwardly from the annular central portion toward the other protruding portion Each of the semi-annular stripe electrodes is joined to the first junction electrode, and the other end of each semi-annular stripe electrode is joined to the second junction electrode. The first electrode is bonded to the bonding electrode; A first control electrode terminal, a second control electrode terminal, and the first control electrode terminal for applying a control signal, which are provided at both ends of the joint electrode forming the protruding portion, are provided. From the second junction electrode on the side to which the other end of the semicircular stripe electrode connected to the first junction electrode on the side including the protruding portion is connected A third control electrode terminal provided on the projecting portion that projects and a first control electrode terminal connected to the first joint electrode on the side including the projecting portion provided with the second control electrode terminal And a fourth control electrode terminal provided at the protruding portion protruding from the second joining electrode on the side to which the other end of the semicircular stripe electrode is connected. A liquid crystal wavefront modulation device characterized by the above may be used.
[0010]
The apparatus further comprises a junction electrode made of the same or different material as the stripe electrode, wherein the resistivity of the stripe electrode is preferably low, while the resistivity of the junction electrode is preferably set high, whereby each cell The junction electrode is included in an electrode structure that wraps the active region that emits light or is provided outside the active region.
[0011]
The junction electrode in the apparatus is connected to the low resistance metal electrode at two or more positions where a voltage is supplied from the LC driver.
On the other hand, in this device, the active area is addressed with a voltage from within the linear portion of the LC electro-optical properties of the CL layer at a predetermined tilt angle between 0 and 3 degrees, thereby transmitting or reflecting optical wavefronts. It is characterized in that it is used to deflect an optical beam by generating a phase characteristic having a blaze effect consisting of
[0012]
The device according to the present invention also defines the active area with a voltage obtained from within a non-linear part in the low voltage region in the LC electro-optical properties of the LC layer at a predetermined tilt angle between 5 and 20 degrees. It is characterized in that it is used to focus the optical beam by generating a secondary phase profile of the transmitted or reflected optical wavefront by addressing, and the device is applied to the nearby junction electrode The two AC voltages having the same amplitude and frequency are 180 degrees out of phase (opposite polarity).
[0013]
【Example】
In the device according to the invention, the optical liquid crystal wavefront modulator for monochromatic light includes a homogeneously arranged liquid crystal layer confined between two optically transparent windows.
This device has a common electrode which is optically transparent on the first window, and a plurality of optically transparent stripe electrodes (hereinafter simply referred to as stripe electrodes) which are parallel to each other in the second window.
[0014]
For the device to be realized, the longitudinal shape of the striped electrode may be straight or bent. In the second window, the N striped electrodes are periodically joined via one or more single stripe electrodes (hereinafter simply referred to as junction electrodes) of resistive material to form a bundle of M striped electrodes. As shown in FIG. 1, each bundle represents a liquid crystal cell (hereinafter simply referred to as a cell).
[0015]
Two independent control signals (for example, AC voltage signals) are supplied to the two outer stripe electrodes of each bundle, respectively. Thus, the multiple control signals (NxM) are reduced to two signals (2xM) per cell.
Application of two different voltages creates a linear voltage gradient along the junction electrode. This also creates a linear voltage gradient across the cell area. This linear voltage gradient results in a linear or non-linear spatial change in the liquid crystal molecule-refractive index depending on the electro-optic response and address voltage of the liquid crystal.
[0016]
Wavefront modulation is achieved by a linear or non-linear portion of the electro-optic response of the liquid crystal as shown in FIG. The shape relating to the electro-optical characteristics is determined from liquid crystal parameters, a predetermined inclination, an elastic constant, a dielectric constant, and the like.
For example, an array with a low predetermined slope provides a sharp threshold and a large linear area immediately following the threshold .
[0017]
High tilt alignment (5-20 degrees) provides a second order modulation of the electro-optic response in the low voltage region. The linear portion of the electro-optic response is used for the purpose of linear modulation such as beam deflection or to simulate a triangular grating with a blazed effect. The quadratic curve portion is used to simulate wavefront modulation by the lens. An apparatus having a one-dimensional modulation capability, for example, an LC cylindrical lens, is extended to a device having a two-dimensional modulation capability, for example, a spherical lens, as shown in FIG.
[0018]
The linear striped electrode is replaced with a preferred shape in the two-dimensional modulation region, that is, a striped electrode bent by a circle or an ellipse. The outer end of the bonding electrode is connected to a low resistance metal electrode that supplies the voltage of the LC driver.
Alternating voltages having the same waveform, the same amplitude A, and the same frequency but having a phase difference of 180 degrees, that is, voltages having different polarities are supplied to the adjacent junction electrodes. When a different polarity is applied to the end of the junction electrode, the middle of the junction electrode is zero volts. Thus, the LC region consisting of the first half of the junction electrode is therefore spatially modulated from A volts to 0 volts, and the region consisting of the second half of the junction electrode is spatially changed from 0 volts to A volts as shown in FIG. Is modulated. Since both parts of the junction electrode address the same part of the electro-optical properties, a parabolic two-dimensional spatial modulation is obtained.
[0019]
Preferred specific examples of the apparatus according to the present invention will be described below.
FIG. 1 shows one preferred embodiment of the present invention, and one preferred electrode structure in the present invention is illustrated.
In such a specific example, the same level of potential ΦA is applied to the pair of upper and lower terminals 120 and 122, while the other pair of upper and lower terminals 126 and 128 are the same. A potential Φ that is a level potential but different from the potential ΦA is applied.
[0020]
On the other hand, the thin film resistance wire 106 is provided between the terminals 120 and 126, and the thin film resistance wire 108 is provided between the terminals 122 and 128.
The resistance wire may be formed of a chromium thin film, a nickel-chromium alloy thin film, a tantalum thin film, a molybdenum thin film, or the like.
Further, for example, a metal oxide film which is an ITO film such as an oxide thin film formed from tin or indium can be used.
[0021]
The voltage level formed between the electrode terminals 120 and 122 is kept constant, and therefore they are connected to each other via the metal electrode 131 having a low resistance. The gap is held at an equipotential.
Similarly, the voltage level formed between the electrode terminals 126 and 128 remains constant and is therefore connected through the metal electrodes 138, which are low resistance to each other, so that the electrode terminal 126 And 128 are held at the same potential.
[0022]
On the other hand, the equipotential electrode lines 131 and 138 are a plurality of low-resistance metal electrodes similar to those described above, and 132, 133, 134, 135, 136, and 137 each have a stripe shape. Are arranged so as to be parallel to each other.
Here, it should be noted that both end portions of the respective metal electrodes are individually connected to the respective potential dividing points of the resistance lines 106 and 108, and as a result, between the electrodes 131 and 108. In addition, an equipotential state is always formed in the longitudinal direction of the electrodes 131 and 138, while a potential that changes stepwise is formed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the electrodes 131 and 138. It will be.
[0023]
The electrode structure as described above can be formed on, for example, a transparent glass plate or the like.
The surface of the metal electrode 131, 138 or the low resistance ITO film in which a high resistance film such as a transparent conductive film, more preferably a transparent conductive film, is arranged in parallel with each other as described above. When formed above, the potential formed between the electrodes 131 and 138 changes with a certain slope.
[0024]
For example, when a potential of 10 · ΦA is applied to the electrode 131 and a potential of 3 · ΦA is applied to the electrode 138, a film surface in which the potential changes linearly from the potential 10 · ΦA to the potential 3 · ΦA is formed. .
Due to the presence of the metal electrodes 132 to 137, equipotential lines having a predetermined inclination are formed between the electrodes, and the equipotential lines are arranged in the longitudinal direction of the electrodes 131 and 138 arranged in parallel to each other. It always shows a parallel shape.
[0025]
The transparent glass plate on which the electrode film layer having a predetermined inclination at the above-described potential is formed and the glass plate on which the transparent conductive film is formed are opposed to each other, and a space is provided between them. Are arranged so as to be parallel to each other at intervals of several microns (μm), and the liquid crystal (LC) is filled in the space portion so that the orientation of the liquid crystal is aligned with that of the glass substrate. An optical modulation element can be obtained by setting it to be parallel to the surface.
[0026]
In the embodiment according to the present invention, a high-performance optical modulation element having the characteristics of high efficiency and low distortion can be obtained because of the effect produced by the low resistance lines 131 to 138.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the effective birefringence Δn and the liquid crystal voltage. In the graph, the horizontal axis represents the driving voltage of the liquid crystal, and the vertical axis represents the effective birefringence. is there.
[0027]
As apparent from the graph, each graph is composed of a linear modulation region and a curved modulation region.
Therefore, when such a curved modulation region is used, a thin glass lens exhibits an effect equivalent to that of a spherical lens with respect to a function of a position element with respect to an orthogonal incident light wave. Further, in this specific example, the change in curvature can be controlled by changing the voltage applied to the liquid crystal.
[0028]
FIG. 3 is a diagram showing another specific example of the electrode structure according to the present invention. In the figure, the electrode terminals 306, 308, 302, and 304 have resistance wires 371, 381, 351 , as shown in FIG. 361 , and a plurality of semicircular narrow widths arranged concentrically between the pair of resistance wires 371 and 351 and between the pair of resistance wires 381 and 361. For example, a plurality of semi-circular narrow electrode groups 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 319 and 340 are connected between the resistance wires 371 and 351. Is connected to.
[0029]
If attention is paid to FIG. 3, the striped (narrow) electrodes 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 319 and 340 are patterned low resistance thin films formed on the surface of the glass substrate. Has been.
In this embodiment, each semicircular striped electrode has an individual voltage and each represents an equal voltage.
[0030]
When a voltage, for example, −V, is equally applied to both electrode terminals 306 and 308 and another voltage, for example, + V, is equally applied to both electrode terminals 302 and 304, the potential is the resistance line 381. 361 toward the center of the circle, becomes 0 V at the center, and further increases in the direction from the center of the circle toward the resistance lines 371 and 351 to a voltage of + V.
[0031]
In such a specific example, a high-resistance transparent conductive thin film such as an InSn2 O3 film having a thickness of 100 to 400 nm is formed on the surface of the low-resistance patterned electrode film, or glass When it is formed at a site formed between the substrate and the low-resistance patterned electrode film, a glass substrate having a curvature potential distribution that can be used as a lens can be obtained.
[0032]
The above glass substrate and another glass substrate having a transparent conductive film formed on the entire surface are arranged to face each other in parallel with a certain interval, for example, several μm therebetween, and at the same time between the glass substrates. If the liquid crystal layer is formed in the formed space and the orientation of the liquid crystal is set to be parallel to the surface of the glass substrate, the electrode structure having the liquid crystal wavefront modulation according to the present invention can be obtained.
[0033]
In this specific example, the alignment of the liquid crystal is not limited to being set parallel to the surface of the glass substrate, but can be set to be non-parallel, that is, a twist type.
In the present invention, an electric field free from spherical distortion is formed with respect to the glass lens based on a configuration in which each electrode has an equipotential property with a circular electrode, and thus the characteristics as a lens are improved.
[0034]
In the specific example described above, the potential indicated by ΦA, ΦB, ΦA (+), −V, + V, etc. is, for example, an AC pulse source such as 5 to 10 volts and 1 to 1000 Hz, which is an actual voltage. Can be used as a source.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a specific example of an electrode structure of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing characteristic values in the electrode structure of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining another specific example of the electrode structure of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing characteristic values in an electrode structure according to another specific example of the present invention.
[Explanation of symbols]
120, 126, 122, 128 ... terminals 106, 108 ... thin film resistance wires

Claims

光学ビームを波面変調するための液晶波面変調装置において、
光学的に透明な共通電極を有する第１窓と、
直線ストライプ形状をした多数の電極を互いに平行に配したストライプ電極と、前記多数のストライプ電極を束ねるために前記それぞれのストライプ電極の両端部に設けられている第１の接合電極と第２の接合電極と、前記第１の接合電極の両端に配されている、制御信号を印加するための第１と第２の制御電極端子、及び前記第１の制御電極端子が設けられている前記第１の接合電極の一方の端部と対向する前記第２の接合電極に於ける一方の端部に設けられた第３の制御電極端子と、前記第２の制御電極端子が設けられている前記第１の接合電極の他方の端部と対向する前記第２の接合電極に於ける他方の端部に設けられた第４の制御電極端子とを有する第２窓と、
前記第１窓と前記第２窓の中間に設けられた液晶分子層とを含む光学要素を備える液晶波面変調装置であって、
前記ストライプ電極を構成する電極材料の抵抗率は、前記接合電極を構成する電極材料の抵抗率よりも低くなる様に設定されている事を特徴とする液晶波面変調装置。In a liquid crystal wavefront modulator for wavefront modulating an optical beam,
A first window having an optically transparent common electrode;
A stripe electrode in which a large number of electrodes having a linear stripe shape are arranged in parallel to each other, and a first junction electrode and a second junction provided at both ends of each stripe electrode for bundling the numerous stripe electrodes The first and second control electrode terminals for applying a control signal, and the first control electrode terminal, which are disposed at both ends of the electrode, the first bonding electrode, and the first control electrode terminal; A third control electrode terminal provided at one end of the second bonding electrode facing the one end of the bonding electrode; and the second control electrode terminal provided with the second control electrode terminal. A second window having a fourth control electrode terminal provided at the other end of the second junction electrode facing the other end of the one junction electrode ;
A liquid crystal wavefront modulation device comprising an optical element including a liquid crystal molecular layer provided between the first window and the second window,
The liquid crystal wavefront modulation device according to claim 1, wherein a resistivity of the electrode material constituting the stripe electrode is set to be lower than a resistivity of the electrode material constituting the joining electrode.

前記請求項１に記載の液晶波面変調装置を使用して、前記液晶分子層の有効屈折率と前記液晶分子層に印加される液晶電圧との関係を示した液晶電子光学特性に於ける直線部分内から選ばれる電圧を前記第１乃至第４の制御電極端子のそれぞれに印加して、光学波面からなるブレーズ効果を持つ位相特性を発生させて光学ビームを偏向させるか或いは光学波面の２次位相プロフィールを発生させて光学ビームを合焦させる事を特徴とする液晶波面変調装置の駆動方法。A linear portion in a liquid crystal electro-optical characteristic showing a relationship between an effective refractive index of the liquid crystal molecular layer and a liquid crystal voltage applied to the liquid crystal molecular layer using the liquid crystal wavefront modulation device according to claim 1. the selection Bareru voltage from the inner is applied to each of the first to fourth control electrode terminals, or the optical wave front of the secondary phase by generating a phase characteristic having a blaze effect comprising the optically wavefront deflects an optical beam A driving method of a liquid crystal wavefront modulation device, characterized in that a profile is generated to focus an optical beam .

光学ビームを波面変調するための液晶波面変調装置に於いて、
光学的に透明な共通電極を有する第１窓と、
ストライプ形状を呈し、且つ互いにその内径を異にする多数を半円環形状ストライプを同芯円状に配置したストライプ電極と、前記多数のストライプ電極を束ねるために前記それぞれの半円環形状ストライプ電極の両端部に設けられている接合電極と、前記それぞれの接合電極の両端に配されている制御信号を印加するための一対の制御電極端子とを有する第２窓と、
前記第１窓と前記第２窓の中間に設けられた液晶分子層とを含む光学要素を備える液晶波面変調装置であって、
前記半円環形状ストライプ電極を構成する電極材料の抵抗率は、前記接合電極を構成する電極材料の抵抗率よりも低くなる様に設定されており、且つ
前記接合電極は、前記ストライプ電極の円環形状の中心点を通り、その直径方向に沿った両方向に延展して、前記接合電極の両端部が最外周に位置するストライプ電極から突出するように設けられており、且つ前記接合電極は、前記円環形状の中心部から前記一方の突出部に向けて外方に延展している互いに略平行した２本の電極からなる第１の接合電極と、前記円環形状の中心部から前記他方の突出部に向けて外方に延展している互いに略平行した２本の電極からなる第２の接合電極とで構成され、
前記各半円環形状ストライプ電極のそれぞれの一方の端部が前記第１の接合電極と接合し、前記各半円環形状ストライプ電極のそれぞれの他方の端部が前記第２の接合電極と接合しており、
前記第１の接合電極の前記突出部を形成する両端部のそれぞれに設けられた、制御信号を印加するための第１の制御電極端子と第２の制御電極端子、及び前記第１の制御電極端子が設けられている前記突出部を含む側の前記第１の接合電極に接続されている一部の半円環形状ストライプ電極に於ける他方の端部が接続されている側の前記第２の接合電極から突出している前記突出部に設けられている第３の制御電極端子と、前記第２の制御電極端子が設けられている前記突出部を含む側の前記第１の接合電極に接続されている一部の半円環形状ストライプ電極に於ける他方の端部が接続されている側の前記第２の接合電極から突出している前記突出部に設けられている第４の制御電極端子とを有する事を特徴とする液晶波面変調装置。In a liquid crystal wavefront modulator for wavefront modulating an optical beam,
A first window having an optically transparent common electrode;
Stripe electrodes having a stripe shape and having a plurality of semi-annular stripes concentrically arranged with different inner diameters, and the respective semi-annular stripe electrodes for bundling the plurality of stripe electrodes A second window having a bonding electrode provided at both ends of the first electrode and a pair of control electrode terminals for applying a control signal disposed at both ends of each of the bonding electrodes;
A liquid crystal wavefront modulation device comprising an optical element including a liquid crystal molecular layer provided between the first window and the second window,
The resistivity of the electrode material constituting the semi-annular stripe electrode is set to be lower than the resistivity of the electrode material constituting the junction electrode, and the junction electrode is a circle of the stripe electrode. It passes through the center point of the ring shape, extends in both directions along the diameter direction, and is provided so that both ends of the bonding electrode protrude from the stripe electrode located on the outermost periphery, and the bonding electrode is A first junction electrode comprising two substantially parallel electrodes extending outward from the annular central portion toward the one projecting portion; and the other from the annular central portion to the other And a second bonding electrode composed of two substantially parallel electrodes extending outward toward the protruding portion of
One end of each semi-annular stripe electrode is joined to the first junction electrode, and the other end of each semi-annular stripe electrode is joined to the second junction electrode. And
A first control electrode terminal and a second control electrode terminal for applying a control signal, which are provided at both ends of the first bonding electrode that form the protruding portion, and the first control electrode The second end on the side where the other end of the semicircular stripe electrode connected to the first junction electrode on the side including the protrusion provided with the terminal is connected. A third control electrode terminal provided on the projecting portion projecting from the joint electrode, and a connection to the first joint electrode on the side including the projecting portion provided with the second control electrode terminal A fourth control electrode terminal provided on the projecting portion projecting from the second joining electrode on the side to which the other end of the semicircular striped electrode that is partly connected is connected crystal plane modulating device characterized in that it has and.

前記請求項３に記載の液晶波面変調装置を使用して、前記液晶分子層の有効屈折率と前記液晶分子層に印加される液晶電圧との関係を示した液晶電子光学特性に於ける直線部分或いは非直線部分内から選ばれる電圧を、前記第１乃至第４の制御電極端子のそれぞれに印加して、光学波面の２次位相プロフィールを発生させることによって、光学ビームを合焦させる事を特徴とする液晶波面変調装置の駆動方法。A linear portion in a liquid crystal electro-optical characteristic showing a relationship between an effective refractive index of the liquid crystal molecular layer and a liquid crystal voltage applied to the liquid crystal molecular layer using the liquid crystal wavefront modulation device according to claim 3. or selection Bareru voltage from the non-linear portion, is applied to each of the first to fourth control electrode terminal, by generating a secondary phase profile of the optical wavefront, characterized by focusing the optical beam A method for driving a liquid crystal wavefront modulation device.

前記第１と第３の制御電極端子及び前記第２と第４の制御電極端子には、同じ振幅と同じ周波数を有する同極性で同位相の交流電圧がそれぞれ印加されると共に前記第１と第２の制御電極端子及び前記第３と第４の制御電極端子には、同じ振幅と同じ周波数を有する１８０度位相がずれた互いに反対極性の交流電圧がそれぞれ印加されることを特徴とする請求項２に記載の液晶波面変調装置の駆動方法。The first and third control electrode terminals and the second and fourth control electrode terminals are applied with alternating voltages having the same amplitude and the same frequency and the same polarity and the same phase, respectively. 2. The AC electrodes having the same amplitude and the same frequency and having opposite polarities, which are 180 degrees out of phase, are applied to the second control electrode terminal and the third and fourth control electrode terminals, respectively. 3. A driving method of a liquid crystal wavefront modulation device according to 2.

前記第１と第３の制御電極端子及び前記第２と第４の制御電極端子には、同じ振幅と同じ周波数を有する同極性で同位相の交流電圧がそれぞれ印加されると共に前記第１と第２の制御電極端子及び前記第３と第４の制御電極端子には、同じ振幅と同じ周波数を有する１８０度位相がずれた互いに反対極性の交流電圧がそれぞれ印加されることを特徴とする請求項４に記載の液晶波面変調装置の駆動方法。The first and third control electrode terminals and the second and fourth control electrode terminals are applied with alternating voltages having the same amplitude and the same frequency and the same polarity and the same phase, respectively. 2. The AC electrodes having the same amplitude and the same frequency and having opposite polarities, which are 180 degrees out of phase, are applied to the second control electrode terminal and the third and fourth control electrode terminals, respectively. 5. A driving method of a liquid crystal wavefront modulation device according to 4.