JP7232504B2 - 光スイッチング素子 - Google Patents

Description

本発明は、光軸を高速で変化させる光スイッチング素子に関する。

近年では、自動車の自動運転技術の開発が進められており、その中でも自動車の周囲の障害物等を検出するセンサ技術の開発が重要となっている。また、ロボット分野における把持対象物の検出や、障害物の検出においてもセンサ技術の開発が重要となっている。

このようなセンサ技術の一環として、レーザー光等の光ビームを用いてセンシングを行うＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging：ライダー）の開発に注目が集まっている。ＬＩＤＡＲでは、光ビームを外部に出射して、その光ビームが障害物等に当たって反射された際に、その反射光を受光して出射光と反射光との位相差等を利用して障害物の検出を行っている。

本願発明者は、このＬＩＤＡＲに用いることができる光スイッチ及び光シャッターを提案している（特許文献１）。この特許文献１における光スイッチでは、ポリマー安定化ブルー相液晶を用いた液晶パネルと、断面が三角形のシリコンウェッジとを組み合わせて液晶位相パネルとしている。また、この液晶位相パネルにおける一方のシリコンウェッジの表面に偏光グレーティングプレートを貼り合わせ、光スイッチとしている。

特許文献１における液晶位相パネルは、液晶パネルが、２枚のガラス基板の表面に薄膜状の透明電極を形成し、その透明電極の間にポリマー安定化ブルー相液晶を充填し、光照射により安定化させたものとなっている。

図２は、ポリマー安定化ブルー相液晶を用いた液晶パネルの断面図であり、符号１１はポリマー安定化ブルー相液晶、１２はダイレクター、９，１０は透明電極、７，８はガラス製の液晶基板を示す。図２のように平板状の透明電極９，１０においては、電極間に発生する電界は電極に対して垂直方向となる。

透明電極９，１０間に電圧が印加されていない状態では、図２（Ａ）に示すように、ダイレクター１２は側面視で球状の屈折率楕円体となり、光学的にアイソトロピック（等方性）な媒質となる。この状態では、液晶基板７，８に垂直に光ビームＬが照射されると、ダイレクター１２によって光ビームＬにはリターデーション（位相差）が生じることなく液晶パネル２を通過する。

透明電極９，１０間に電圧が印加された状態では、図２（Ｂ）に示すように、ダイレクター１２が側面視で楕円形の屈折率楕円体となり、液晶基板７，８に垂直に向いた状態となるため、液晶基板７，８に垂直に光ビームＬが照射されるとリターデーションを生じることなく通過する。従って、この図２（Ｂ）に示す状態では、この液晶パネルを半波長板として用いることはできない。

そこで、本願発明者は、図２に示す液晶パネル２の表裏に傾斜部材であるシリコンウェッジを点対称となるように張り付け、液晶基板７，８に入射される光ビームＬに角度を生じさせることにより、図２（Ｂ）の状態のダイレクター１２に対して斜めに光ビームＬを照射し、リターデーションを生じさせるようにした。当該構成により、液晶素材としてポリマー安定化ブルー相液晶１１を用いた液晶パネルを、波長板として用いることができるようにしている。

国際公開第２０１８／１７３８１３号

また、本願発明者は、特許文献１に記載の光スイッチ及び光シャッターにおいて、シリコンウェッジの出射面に、偏光グレーティングプレートを貼り合わせることで、入射した１本の光ビームが２本の光ビームとなる１×２光スイッチを実現している。また、この光スイッチを多段に接続することにより、１本の光ビームをｎ本（ｎは２のべき指数）の光ビームにすることができる１×ｎ光スイッチを実現している。

一方で、本願発明者は、光スイッチにおいてさらに改良すべく種々検証を行った結果、光スイッチを構成する部材について、ある条件で回折効率が向上することを知見した。

本発明は、ＬＩＤＡＲ、或いはロボット等のセンサ等に好適に用いることができる光スイッチであって、従来よりも回折効率を向上させた光スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光スイッチング素子は、透明な板状の素材で形成された一対の液晶基板と、前記一対の液晶基板の内面に装着された薄膜状の一対の透明電極と、前記一対の透明電極の間にポリマー安定化ブルー相液晶が保持されてなる液晶パネルと、前記液晶パネルの一方の面に装着された透過型の回折部材と、基準面と、前記基準面に対して傾斜する傾斜面とを有する一対の傾斜部材とを備え、前記回折部材は、板状であり、複屈折率媒体を構成するダイレクターが面内方向に延びる複屈折軸に沿って所定の回転周期で回転したものであり、一方の前記傾斜部材は、前記傾斜面の面内方向で前記回折部材の前記複屈折軸が傾斜方向に対して８０°～１００°の範囲となるように前記回折部材の表面に装着され、他方の前記傾斜部材は、一方の前記傾斜部材に対して前記傾斜面の面内方向で１７０°～１９０°の範囲となるように回転され、前記傾斜面が前記液晶パネルの他方の面に装着されていることを特徴とする。

本発明の光スイッチング素子は、回折部材の複屈折率媒体の複屈折軸が、回折部材の表面に装着される傾斜部材の傾斜面の傾斜方向に対して９０°を中心としてプラスマイナス１０°の範囲となるように形成されている。当該構成により、回折効率のよい光スイッチング素子を提供することができる。

また、本発明の光スイッチング素子において、前記ダイレクターは、前記複屈折率媒体が厚さ方向の複屈折軸に沿って回転するカイラル構造であってもよい。当該構成によれば、他の構成の回折部材に比べて効率よく光ビームの回折を行うことができる。

また、本発明の光スイッチング素子において、前記液晶基板の屈折率と前記傾斜部材の屈折率とを実質的に同一としてもよい。当該構成によれば、光ビームが傾斜部材及び液晶基板を通過する際の反射による損失を防ぐことができる。

また、本発明の光スイッチング素子において、前記傾斜部材の前記基準面に反射防止部を形成してもよい。当該構成によれば、光スイッチング素子の周囲の媒質、例えば空気から傾斜部材に光ビームが入射する際の反射による損失を防ぐことができる。

また、本発明の光スイッチング素子においては、前記傾斜部材の屈折率が前記液晶基板の屈折率よりも高い素材で形成され、前記傾斜部材の前記基準面と前記傾斜面に反射防止部が形成されていてもよい。前記基準面の反射防止部により、光スイッチング素子の周囲の媒質（主に空気）から傾斜部材に光ビームが入射する際の反射による損失を防ぐことができる。また、前記傾斜面の反射防止部により、傾斜部材と液晶基板との間での光ビームの反射による損失を防ぐことができる。

また、本発明の光スイッチング素子において、前記回折部材が装着されている側の前記傾斜部材の基準面を出射面とし、他方の傾斜部材の基準面を入射面とした場合に、前記光スイッチング素子を２個用いて、１個目の前記光スイッチング素子の前記出射面に、２個目の前記光スイッチング素子の前記入射面を面内方向で８０°～１００°角度をずらして装着するようにしてもよい。当該構成によれば、容易に１×ｎ（ｎは２のべき指数）光スイッチを容易に甲形成することができる。

また、本発明の光スイッチング素子において、前記液晶パネルが複数の領域で前記透明電極が分割されそれぞれ別個に電圧の制御が可能であり、分割された前記領域に前記回転周期の異なる回折部材が装着されていてもよい。当該構成によれば、１枚の液晶パネルにおいて複数の領域で異なる回折結果を得ることができる。

また、本発明の光スイッチング素子において、温度調節部材により前記液晶パネルの温度調節を行ってもよい。当該構成によれば、ポリマー安定化ブルー相液晶の作動を安定させることができるので、周囲の温度が変化しても安定した光スイッチング動作が可能となる。

本発明の実施形態の一例である光スイッチング素子を示す説明図であり、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）はその分解図、（Ｃ）は（Ｂ）の一部拡大図である。 ポリマー安定化ブルー相液晶の作動を示す説明的断面図であり、（Ａ）は電界が発生していない状態、（Ｂ）は電界が発生している状態を示す説明図である。 本実施形態の光スイッチング素子に用いられている回折部材を示す説明図であり、（Ａ）は左回りの円偏光の回折状態、（Ｂ）は右回りの円偏光の回折状態、（Ｃ）及び（Ｄ）は回折部材のカイラル構造を示す説明図、（Ｅ）は波長がΛ／２である回折部材の構成を示す説明図である。 本実施形態の光スイッチング素子に用いられている回折部材の説明図であり、（Ａ）はＸ－Ｚ平面における光ビームの入射角を示す説明図、（Ｂ）はＹ－Ｚ平面における光ビームの入射角を示す説明図、（Ｃ）は（Ａ）及び（Ｂ）の入射角と回折効率との関係を示す説明図である。 （Ａ）は本発明の実施形態の一例である１×４光スイッチング素子を示す説明図、（Ｂ）はその分解図である。 （Ａ）は本発明の実施形態の一例である１×１６光スイッチング素子を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ方向矢視図である。 本発明の実施形態の一例である電極を分割してそれぞれ異なる回折部材を配置させた光スイッチング素子を示す説明図である。 本実施形態の光スイッチング素子を温度制御可能とした状態を示す説明図である。

次に、図１～図８を参照して、本発明の実施形態である光スイッチング素子について説明する。図１は、本発明の実施形態の一例である光スイッチング素子１を示す説明図であり、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）はその分解図、（Ｃ）は（Ｂ）の一部拡大図である。

本実施形態の光スイッチング素子１は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、液晶パネル２の一方の面に透過型の回折部材である偏光グレーティング３が装着され、その両面に傾斜部材であるガラスウェッジ４，５が装着された構成となっている。本実施形態においては、液晶パネル２と偏光グレーティング３とを合わせて１×２エレメント６とする。

液晶パネル２は、図１（Ｃ）に示すように、透明な板状の素材であるガラス製の一対の液晶基板７，８と、液晶基板７，８の内面に設けられた薄膜状の一対の透明電極９，１０と、一対の透明電極９，１０の間に保持されているポリマー安定化ブルー相液晶（以下「ブルー相液晶」と省略する。）１１から構成されている。ここで、保持とは、透明電極９，１０の間にブルー相液晶１１を充填する場合の他、他の手法を用いて透明電極９，１０の間にブルー相液晶１１を存在させることをいう。

液晶基板７，８は、本実施形態ではガラス製であり、一般のガラスと同様の屈折率を有する。また、透明電極９，１０は、本実施形態では酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いており、その屈折率は液晶基板７，８と実質的に同一となるものを用いている。

ここで、図２を参照して、ブルー相液晶１１を用いた液晶パネル２の作動について説明する。図２は、ポリマー安定化ブルー相液晶の作動を示す説明的断面図であり、（Ａ）は電界が発生していない状態、（Ｂ）は電界が発生している状態を示す説明図である。

ブルー相液晶１１は、透明電極９，１０に電圧が印加されていない状態では、図２（Ａ）に示すように、ダイレクター１２は側面視で球状の屈折率楕円体となり、光学的にアイソトロピック（等方性）な媒質となる。この状態では、液晶基板７，８に垂直に光ビームＬが照射されると、ダイレクター１２によって光ビームＬにはリターデーションが生じないため、光ビームＬはそのまま液晶パネル２を通過する。

透明電極９，１０間に電圧が印加された状態では、図２（Ｂ）に示すように、ダイレクター１２が側面視で楕円形の屈折率楕円体となり、液晶基板７，８に垂直に向いた状態となる。このため、液晶基板７，８に垂直に光ビームＬが照射されるとリターデーションを生じることなく通過する。

一方で、図２（Ｂ）の状態で、液晶基板７，８に斜めに光ビームＬが照射されると、光ビームＬは屈折率楕円体であるダイレクター１２に斜めに照射される。この場合、光ビームＬの進行方向に対して垂直の面でダイレクター１２を切断すると、切断面は楕円形となる。光ビームＬがこのような状態のダイレクター１２に照射されると、光ビームＬがダイレクター１２の影響を受けるため、リターデーションが生じる。

偏光グレーティング３は、液晶ポリマーなど複屈折を持つ材料から構成される。本実施形態では、図１（Ａ）に示すように長方形状の板状の部材であり、複屈折率媒体であるダイレクター１３が、複屈折軸Ａに沿って周期Λで回転したものとなっている。この偏光グレーティング３は、本実施形態では光ビームＬの波長に対して半波長板となる厚さに形成されている。本実施形態では、光ビームＬは、レーザー光を使用しており、その波長は０．３μｍ～１．６μｍとなっている。また、ダイレクター１３の回転周期Λは、１μｍ～１０，０００μｍとなっている。

図３は、本実施形態の光スイッチング素子に用いられている回折部材を示す説明図であり、（Ａ）は左回りの円偏光の回折状態、（Ｂ）は右回りの円偏光の回折状態、（Ｃ）及び（Ｄ）は回折部材のカイラル構造を示す説明図、（Ｅ）は（Ａ）の場合の周期Λの半分の周期、Λ／２である回折部材の構成を示す説明図である。

偏光グレーティング３は、図３（Ａ）に示すように、左回りの円偏光の光ビームＬ（Ｌ）が照射されると、回折角θを伴って回折すると共に、右回りの円偏光の光ビームＬ（Ｒ）となる。また、図３（Ｂ）に示すように、右回りの円偏光の光ビームＬ（Ｒ）が照射されると、Ｘ－Ｚ平面において図３（Ａ）とは逆方向に回折角θを伴って回折すると共に、左回りの円偏光の光ビームＬ（Ｌ）となる。この回折角θは、次の式（１）で求められる。

ｓｉｎθ＝±λ／Λ＋ｓｉｎθｏ（１）
ここで、λは光ビームＬの波長、Λはダイレクター１３の回転の周期、θｏは光ビームＬの入射角度である。この式（１）から、ダイレクター１３の回転周期Λが短いほど、光ビームＬは大きな角度で回折することがわかる。

また、本実施形態の偏光グレーティング３は、図３（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、光ビームＬの進行方向（Ｚ方向）である板厚方向にもダイレクター１３が回転しているカイラル構造を有している。図３（Ｄ）における中央部分のダイレクター１３を見ると、偏光グレーティング３の左側の表面に位置するものは回転角度が０°であり、中央部分が９０°、右側の表面に位置するものは回転角度が１８０°となっている。

また、図３（Ｅ）に示すように、偏光グレーティング３は、幅方向に対してダイレクター１３の回転周期が１／２であるΛ／２とすることもできる。このように回転周期Λが短いものは、光ビームＬの回折角度を大きくすることができる。

また、図４を参照して、本実施形態の偏光グレーティング３の性質について説明する。本実施形態の光スイッチング素子に用いられている回折部材の説明図であり、（Ａ）はＸ－Ｚ平面における光ビームの入射角を示す説明図、（Ｂ）はＹ－Ｚ平面における光ビームの入射角を示す説明図、（Ｃ）は（Ａ）及び（Ｂ）の入射角と回折効率との関係を示す説明図である。

図４（Ａ）は、光ビームＬの進行方向であるＺ軸に対して、Ｘ－Ｚ平面で入射光の角度を変更させた場合の説明図である。Ｘ－Ｚ平面で入射光の角度を変更させると、図４（Ｃ）における曲線（Ａ）のように、入射角度の変更度合いによって回折効率が大きく変化することがわかる。なお、本実施形態の偏光グレーティング３は、Imagine Optix社製の「Polarization Grating」を用いることができる。

図４（Ｂ）は、光ビームＬの進行方向であるＺ軸に対して、Ｙ－Ｚ平面で入射光の角度を変更させた場合の説明図である。Ｙ－Ｚ平面で入射光の角度を変更させると、図４（Ｃ）における曲線（Ｂ）のように、入射角度の変更度合いによって回折効率がさほど変化しないことがわかる。

ガラスウェッジ４，５は、光ビームＬを屈折させることができる傾斜部材であり、図１（Ｂ）に示すように、基準面４ａ，５ａと、この基準面４ａ，５ａに対して角度θａで傾斜する傾斜面４ｂ，５ｂを有している。本実施形態では、このガラスウェッジ４，５は、Ｘ方向から見た側面視で直角三角形状に形成されている。

また、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、図において左側に位置する一方のガラスウェッジ５は、傾斜面５ｂを、傾斜方向５ｃが偏光グレーティング３のダイレクター１３の複屈折軸Ａと、傾斜面５ｂの面内で直交するように装着されている。この両者の角度は、プラスマイナス１０°、即ち８０°～１００°にすればよい。好ましくは、プラスマイナス５°が実用的な許容範囲であり、具体的には８５°～９５°の範囲となるように装着すればよい。

また、図１（Ａ）及び（Ｂ）において右側に位置する他方のガラスウェッジ４は、左側に位置する一方のガラスウェッジ５に対して、Ｚ方向に対して回転対称となるように取り付けられている。この両者の位置関係においても、１８０°回転した関係となることが好ましいが、プラスマイナス１０°、さらに好ましくはプラスマイナス５°までが実用的な許容範囲である。具体的には、両者の角度を傾斜面４ｂ，５ｂの面内方向で１７０°～１９０°、好ましくは１７５°～１８５°の範囲となるように回転させればよい。

また、ガラスウェッジ４，５の屈折率は、液晶パネル２の液晶基板７，８と実質的に同一の屈折率を有している。ここで、実質的に同一とは、屈折率としてプラスマイナス１０％の範囲をいう。

また、ガラスウェッジ４，５の基準面４ａ，５ａには、無反射コーティング（反射防止部）が施されている（図示省略）。この無反射コーティングは、例えば、フッ化マグネシウム、シリコン、二酸化ケイ素等の素材を、真空蒸着、スパッタリング、或いはＷＥＴコーティング等の処理を行ったものを用いることができるが、特にこれらには限定されない。

また、本実施形態においては、液晶パネル２の表面と偏光グレーティング３、液晶パネル２の裏面とガラスウェッジ４，５の傾斜面４ｂ，５ｂ、偏光グレーティング３とガラスウェッジ４，５の傾斜面とは、実質的に同一の屈折率を有する接着剤を用いて接着している。

なお、本実施形態においては、液晶パネル２の透明電極９，１０には図示しない電源回路が接続されており、一対の透明電極９，１０に印加される電圧のオンオフの制御が行われる。

次に、本実施形態の光スイッチング素子１の作動について説明する。図１（Ａ）に示すように、図の右側から光ビームＬが照射されたときは、まずは傾斜部材であるガラスウェッジ４の内部を通過する。ここで、ガラスウェッジ４の基準面４ａには無反射コーティングが施されているので、ガラスウェッジ４の基準面４ａでの反射はほぼ生じない。

次に、ガラスウェッジ４内を通過した光ビームＬは、液晶パネル２の液晶基板７の裏面から入射して液晶基板７内を進行する。ここで、図１（Ａ）に示すように、液晶パネル２は、傾斜部材であるガラスウェッジ４，５により光ビームＬに対して傾斜して保持されている。従って、光ビームＬが基準面４ａに対して垂直に入射したときは、図１（Ｃ）に示すように、液晶パネル２の厚さ方向に対して、ガラスウェッジ４の傾斜角のθａで液晶パネル２に入射される。

また、液晶パネル２に入射された光ビームＬは、液晶基板７、ガラスウェッジ４、及び両者を接着している図示しない接着剤層の屈折率のわずかな相違（誤差の範囲）によって、傾斜角θａがθ’となって液晶基板７の内部を進行する。

また、光ビームＬは、図１（Ｃ）に示すように、透明電極９，１０によって印加された電圧によって、ダイレクター１２が液晶基板７，８に垂直に向いた状態となっているブルー相液晶１１内を進行する。その際、光ビームＬは、ダイレクター１２を斜めに通過することにより、リターデーションを生じる。

このように、リターデーションが生じた光ビームＬは、図において左側の液晶基板８内を通過し、その表面から偏光グレーティング３内に進行する。偏光グレーティング３では、光ビームＬの波長の半波長板としての機能を有しているため、リターデーションがπとなる。このように偏光された光ビームＬは、図において左側のガラスウェッジ５内を通過して、ガラスウェッジ５の基準面５ａから外部に照射される。

このとき、入射する光ビームＬの円偏光が左回りであったとすると、出射する光ビームＬの円偏光は右回りとなる。一方で、透明電極９，１０に電圧が印加されていないときは、液晶パネル２においてリターデーションが生じないので、入射する光ビームＬの円偏光が左回りであったとすると、出射する光ビームＬの円偏光も左回りとなる。

本実施形態の光スイッチング素子１では、ブルー相液晶１１を用いた液晶パネル２と、偏光グレーティング３とを組み合わせた１×２エレメント６により、１本の入射光である光ビームＬを２本の光ビームとして出力することができる。図１（Ｂ）においては、偏光グレーティング３から出射される２本の光ビームＬは、それぞれＺ軸に対して角度α°偏光されて出射される。なお、１×２エレメント６を実現するにあたり、液晶パネル２は必ずしも１枚である必要はなく、２枚以上用いて、電圧を印加した場合リターデーションがπとなるように構成しても良い。

また、本実施形態の光スイッチング素子１では、回折部材として偏光グレーティング３を用いており、この偏光グレーティング３は、板厚方向にもダイレクター１３が回転しているカイラル構造を有している。回折部材としては、このようなダイレクター１３を有する偏光グレーティング以外にも、広く一般に用いられている回折格子を採用することができるが、本実施形態の偏光グレーティング３によれば、他の回折格子に比べて回折効率が高い。なお、偏光グレーティング３を構成するダイレクターとしては、１軸結晶の他２軸結晶の材料でも良い。

次に、図５を参照して、本発明の第２の実施形態である光スイッチング素子２１について説明する。（Ａ）は本発明の実施形態の一例である１×４光スイッチング素子を示す説明図、（Ｂ）はその分解図である。第２の実施形態の光スイッチング素子２１は、図５（Ａ）に示すように、入射する光ビームＬを４本のビームに偏光させる１×４光スイッチング素子である。

図５（Ｂ）は、光スイッチング素子２１の分解図であり、１×２エレメント６と、もう１枚の１×２エレメント６ａを２枚重ねたものとなっている。図において右側の１×２エレメント６は第１の実施形態で用いた１×２エレメント６と同一である。図において左側の１×２エレメント６ａは、偏光グレーティング３のダイレクター１３の回転周期がΛ／２となっている。

また、第２の実施形態の光スイッチング素子２１では、傾斜部材が第１の実施形態と異なっている。第２の実施形態においては、傾斜部材として、素材にシリコン（Ｓｉ）を用いたシリコンウェッジ２２，２３を用いている。

このシリコンウェッジ２２，２３は、ガラスに比べて屈折率が高くなっている。シリコンウェッジ２２，２３は、光ビームＬを屈折させるために用いられる傾斜部材であり、図５（Ｂ）に示すように、基準面２２ａ，２３ａと、この基準面２２ａ，２３ａに対して角度θａで傾斜する傾斜面２２ｂ，２３ｂを有している。本実施形態では、このシリコンウェッジ２２，２３は、Ｘ方向から見た側面視で直角三角形状に形成されている。また、シリコンウェッジ２２，２３の基準面２２ａ，２３ａ及び傾斜面２２ｂ，２３ｂには、無反射コーティングが施されている（図示省略）。

ここで、シリコンウェッジ２２，２３の傾斜角度θａは、次の式（２）～（５）の条件を満たすことが必要である。また、Ｎ_０は周囲の屈折率（例えば空気）、Ｎ１はシリコンウェッジ２２，２３の屈折率、Ｎ２は液晶基板７，８の屈折率、θ_０は光ビームＬの入射角度とする。

θａ＜ｓｉｎ^－１（Ｎ２／Ｎ１）－θｂ （２）
θｂ＝ｓｉｎ^－１（Ｎ_０×ｓｉｎθ_０／Ｎ１） （３）
Ｎ１×ｓｉｎθａ＝Ｎ２×ｓｉｎθ’ （４）
θａ＜ｓｉｎ^－１（Ｎ２／Ｎ１） （５）

例えば、ブルー相液晶１１における液晶基板７，８の素材がガラスであるときは、屈折率Ｎ２＝１．５となる。また、シリコンウェッジ２２，２３の素材がシリコンであるときは、屈折率Ｎ１＝３．５となる。ここで、角度θａが２０°の場合を考える。図５において、光スイッチング素子２１に右側から光ビームＬを垂直に入射すると、上記式（１）より、θ’＝５３°となる（図１（Ｃ）参照）。

仮に、シリコンウェッジ２２，２３ではなく、空気から直接液晶パネル２に入射する場合は、入射角は最大でも４０°であり、５３°のような角度を実現することはできない。その理由は、液晶パネル２をθ’＝５３°で伝搬する光は、周囲が空気の場合は、その境界で全反射となり、外部からは励起できないためである。

このように、入力に屈折率Ｎ１の大きな材質（ここではシリコン）を用いることにより、周囲が空気では実現することができない角度での光ビームＬの入射を実現することができる。シリコンウェッジ２２，２３の材質であるシリコンは、光の波長のうち、１．２μｍから６μｍまでの吸収が少ないため、この波長域で本実施形態におけるシリコンウェッジ２２，２３として使用可能である。

光ビームＬが１．２μｍより短波長では、高屈折率ガラス（例えば、オハラ製のＳ－ＬＡＨ７９（屈折率２．００）、ＨＯＹＡ製のＴＡＦＤ４０（屈折率２．００））や高屈折率の樹脂が使用できる。

なお、傾斜角度θａは、式（５）を満たす必要がある。その理由は、シリコンウェッジ２２，２３と液晶パネル２の境界で全反射が生じ、左の面から光が出力しなくなるためである。また、式（５）は式（２）においてθｂ＝０の特別な場合である。この場合、シリコンウェッジ２２，２３の傾斜角度θａに対する条件は、式（４）を満たす必要がある。

第２の実施形態の光スイッチング素子２１は、上記構成であるので、図５において、右から基準面２２ａに対して垂直の角度で入射された光ビームＬは、シリコンウェッジ２２によって屈折されてブルー相液晶１１に対して斜め（角度θ’、図１（Ｃ）参照。）に入射される。これにより、光ビームＬがダイレクター１２を通過する際にダイレクター１２の影響を受けてリターデーションが生じる。

また、第２の実施形態では、１×２エレメント６及び１×２エレメント６ａを重ねているため、１本の光ビームＬが４本に偏光され、１×４光スイッチング素子として動作する。また、１×２エレメントをさらに重ねることにより、Ｎ組重ねた場合、Ｘ－Ｚ平面内で動作する１×ｎ（ｎは２のべき指数。２，４，８，１６・・・）光スイッチング素子を実現することができる。

次に、図６を参照して、本発明の第３の実施形態である光スイッチング素子３１について説明する。（Ａ）は本発明の実施形態の一例である１×１６光スイッチング素子を示す説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ方向矢視図である。第３の実施形態の光スイッチング素子３１は、第２の実施形態の光スイッチング素子２１を９０°ずらして２個用いたものとなっている。

図６（Ａ）における右側に配置された１個目の光スイッチング素子２１は、Ｘ－Ｚ平面において１×４光スイッチング素子として作動する。この１個目の光スイッチング素子２１は、光ビームＬが入射される基準面２２ａが入射面となり、２個目の光スイッチング素子２１と接触している基準面２３ａが出射面となる。

また、左側に配置された２個目の光スイッチング素子２１は、Ｙ－Ｚ平面において１×４光スイッチング素子として作動する。この２個目の光スイッチング素子２１は、光ビームＬが出射される基準面２３ａが出射面となり、１個目の光スイッチング素子２１と接触している基準面２２ａが入射面となる。

このように、これらの２個の光スイッチング素子２１の組み合わせにより、Ｘ－Ｙ平面で動作する２次元の１×１６光スイッチング素子３１を実現することができる。

この光スイッチング素子３１においては、図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、図の右側から光ビームＬが入射されると、図の右側に配置された１×４エレメント２４ａによって４本のビームに偏光される。さらに、この４本に偏光されたビームが、図の左側に配置された１×４エレメント２４ｂによって１６本のビームに偏光される。

このように、本発明の光スイッチング素子では、複数の１×Ｎ光スイッチング素子を組み合わせることにより所望のＮ×Ｎ光スイッチング素子を構築することができる。その際、前段に配置する光スイッチング素子については、最大偏光角を小さくすることにより、いわゆるウォークオフを小さくすることができる。

なお、この第３の実施形態である光スイッチング素子３１において、１個目の光スイッチング素子２１と２個目の光スイッチング素子２１との結合の角度を、それぞれの基準面４ａ，５ａの面内方向で８０°～１００°の間で任意に定めてもよい。

次に、図７を参照して、本発明の第４の実施形態である光スイッチング素子４１について説明する。本発明の実施形態の一例である電極を分割してそれぞれ異なる回折部材を配置させた光スイッチング素子を示す説明図である。第４の実施形態の光スイッチング素子４１は、液晶パネル２の透明電極９，１０を複数の領域に分割し（図７では４分割）、それぞれの透明電極９，１０で別個に独立して電圧のオンオフ制御ができるようにしたものである。

また、光スイッチング素子４１においては、４分割された透明電極９，１０の表面に、それぞれ偏光グレーティング３ａ～３ｄを装着している。この偏光グレーティング３ａ～３ｄは、ダイレクター１３の回転周期を異なるものとするか、厚さを異なるものとすることにより、特性の異なる偏光グレーティングを採用することができる。

次に、図８を参照して、本発明の第４の実施形態の応用例について説明する。本実施形態の光スイッチング素子を温度制御可能とした状態を示す説明図である。図８に示す光スイッチング素子４１ａは、第４の実施形態の光スイッチング素子４１の周囲に、ペルツエ素子を用いた温度調節部材４２を設けたものである。このように、温度調節部材４２を用いることにより、光スイッチング素子４１ａの温度を一定に保つことができるので、周囲の温度変化が激しい設置場所にも設置が可能となる。

この温度調節部材４２は、光スイッチング素子４１ａのみならず、光スイッチング素子１及び光スイッチング素子２１、３１にも設けることができる。なお、温度調節部材４２は、ペルツエ素子を利用したものを例に挙げたが、これに限らず、温度調節が可能であれば、冷媒等の他の手段を用いて温度調節を行うものであってもよい。

なお、本願発明において、「装着」という概念は、隣接する部材を所定位置に配置してその状態を保つこと、及び接着剤等により隣接する部材を固定することを含む概念である。また、上記実施形態においては、傾斜部材としてガラスウェッジ４，５及びシリコンウェッジ２２，２３を用いているが、ガラスやシリコンという素材には限定されず、透明な部材であれば適宜採用することが可能である。

また、上記実施形態では、ガラスウェッジ４，５及びシリコンウェッジ２２，２３は、側面視で直角三角形の形状としているが、これに限らず、基準面及び傾斜面の角度を保てる形状であればよい。例えば、側面視で基準面及び傾斜面の上下をそれぞれ直線で結んだ四角形（台形を含む）のような形状としてもよい。

また、上記各実施形態で、液晶パネル又は偏光グレーティングを半波長板として用いられるようにしているが、その特性は半波長板に限らず、１／４波長板としてもよく、他の波長板としてもよい。

１，２１，３１，４１，４１ａ…光スイッチング素子
２…液晶パネル
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…偏光グレーティング
４…ガラスウェッジ
４ａ…基準面
４ｂ…傾斜面
４ｃ…傾斜方向
５…ガラスウェッジ
５ａ…基準面
５ｂ…傾斜面
５ｃ…傾斜方向
６，６ａ…１×２エレメント
７，８…液晶基板
９，１０…透明電極
１１…ポリマー安定化ブルー相液晶
１２…ダイレクター（ブルー相液晶）
１３…ダイレクター（偏光グレーティング）
２２…シリコンウェッジ
２２ａ…基準面
２２ｂ…傾斜面
２３…シリコンウェッジ
２３ａ…基準面
２３ｂ…傾斜面
２４ａ，２４ｂ…１×４エレメント
４２…温度調節部材

Claims (8)

1. 透明な板状の素材で形成された一対の液晶基板と、前記一対の液晶基板の内面に装着された薄膜状の一対の透明電極と、前記一対の透明電極の間にポリマー安定化ブルー相液晶が保持されてなる液晶パネルと、
   前記液晶パネルの一方の面に装着された透過型の回折部材と、
   基準面と、前記基準面に対して傾斜する傾斜面とを有する一対の傾斜部材とを備え、
   前記回折部材は、板状であり、複屈折率媒体を構成するダイレクターが面内方向に延びる複屈折軸に沿って所定の回転周期で回転したものであり、
   一方の前記傾斜部材は、前記傾斜面の面内方向で前記回折部材の前記複屈折軸が傾斜方向に対して８０°～１００°の範囲となるように前記回折部材の表面に装着され、
   他方の前記傾斜部材は、一方の前記傾斜部材に対して前記傾斜面の面内方向で１７０°～１９０°の範囲となるように回転され、前記傾斜面が前記液晶パネルの他方の面に装着されていることを特徴とする光スイッチング素子。
2. 請求項１に記載の光スイッチング素子であって、
   前記回折部材は、前記ダイレクターが厚さ方向の複屈折軸に沿って回転するカイラル構造であることを特徴とする光スイッチング素子。
3. 請求項１又は２に記載の光スイッチング素子であって、
   前記液晶基板の屈折率と前記傾斜部材の屈折率とが実質的に同一であることを特徴とする光スイッチング素子。
4. 請求項３に記載の光スイッチング素子であって、
   前記傾斜部材の前記基準面に反射防止部が形成されていることを特徴とする光スイッチング素子。
5. 請求項１又は２に記載の光スイッチング素子であって、
   前記傾斜部材の屈折率が前記液晶基板の屈折率よりも高い素材で形成され、
   前記傾斜部材の前記基準面と前記傾斜面に反射防止部が形成されていることを特徴とする光スイッチング素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光スイッチング素子において、
   前記回折部材が装着されている側の前記傾斜部材の基準面が出射面であり、他方の傾斜部材の基準面が入射面であり、
   前記光スイッチング素子を２個用いて、１個目の前記光スイッチング素子の前記出射面に、２個目の前記光スイッチング素子の前記入射面を面内方向で８０°～１００°角度をずらして装着してなることを特徴とする光スイッチング素子。
7. 請求項６に記載の光スイッチング素子において、
   前記液晶パネルが複数の領域で前記透明電極が分割されそれぞれ別個に電圧の制御が可能であり、分割された前記領域に前記回転周期の異なる回折部材が装着されていることを特徴とする光スイッチング素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光スイッチング素子において、
   温度調節部材により前記液晶パネルの温度調節を可能としたことを特徴とする光スイッチング素子。
   
   
   

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