JP7325026B2 - 光学システム - Google Patents

Description

本開示は、光学システムに関する。

近年、液晶デバイスの空間光位相変調器としての活用が、ディスプレイ技術、光通信技術、レーザ加工技術、補償光学技術、光マニピュレーション技術、及び、パルス／スペクトル整形技術等の技術分野で研究されている。液晶デバイスとしては、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスが既に知られている。本開示者は、ＬＣＯＳデバイスを空間光位相変調器として用いたレーザ加工システムを既に開示している（非特許文献１参照）。

桜井康樹、「ＬＣＯＳ技術を用いたレーザ加工技術」、液晶、日本、日本液晶学会、２０１８年 ４月２５日、第２２巻、第２号、第１２９－１３３頁

本開示者は、液晶デバイスを空間光位相変調器として備え、更には、空間光位相変調器に対する光源としてレーザ光源を備えるプロジェクタを開発している。このプロジェクタでは、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のレーザ光源からの光に基づいて、各色の位相変調光が形成され、これらの位相変調光の重ね合わせにより、対象にカラー画像が投影される。

このプロジェクタにおいて、液晶デバイスは、高い光耐久性及び応答速度を有することが好ましい。高い応答速度を実現するためには、複屈折率の高い液晶材料で液晶デバイスを構成することが考えられる。複屈折率の高い液晶材料としては、トラン骨格を有する液晶化合物を含むトラン系液晶材料が知られている。

しかしながら、トラン系液晶材料で構成される液晶デバイスは、高エネルギー光に対して比較的低い耐久性を示す。従って、光耐久性を高めるためには、非トラン系液晶材料で液晶デバイスを構成することが考えられる。しかしながら、非トラン系液晶材料を用いた場合には、液晶デバイスの応答速度が低下する。

このように既存技術では、高エネルギー光を用いる場合に、高い光耐久性と高い応答速度とを兼ね備えたプロジェクタを製造することが難しい。このことは、プロジェクタ以外の光学システムにも当てはまる。

そこで、本開示の一側面によれば、複数の空間光位相変調器のそれぞれが対応する光源からの光を受けて位相変調光を形成する光学システムにおいて、高い光耐久性と高い応答速度とを実現可能な技術を提供できることが望ましい。

本開示の一側面によれば、光学システムが提供される。光学システムは、第一の光源と、第二の光源と、第一の空間光位相変調器と、第二の空間光位相変調器と、投射器とを備える。

第一の光源は、第一の波長の光を発する。第二の光源は、第一の波長とは異なる第二の波長の光を発する。第一の空間光位相変調器は、第一の光源からの第一の波長の入射光に基づく第一の位相変調光を出力する。第二の空間光位相変調器は、第二の光源からの第二の波長の入射光に基づく第二の位相変調光を出力する。投射器は、第一の位相変調光及び第二の位相変調光を対象に投射する。

第一の空間光位相変調器は、第一の波長の入射光から第一の位相変調光を生成するための第一の液晶層を含む液晶デバイスである。第二の空間光位相変調器は、第二の波長の入射光から第二の位相変調光を生成するための第二の液晶層を含む液晶デバイスである。

本開示の一側面によれば、第一の液晶層は、第二の液晶層とは異なる液晶材料で構成される。液晶デバイスの光耐久性は、波長に依存する。例えば、液晶デバイスの吸光度は、波長に対して一様ではない。入力光の波長帯での吸光度が高いほど、液晶デバイスの光耐久性は低下する。

本開示の一側面によれば、第一の液晶層を、第一の波長に適した液晶材料で構成することができ、第二の液晶層を、第二の波長に適した液晶材料で構成することができる。これにより、光学システム全体において、高い光耐久性及び応答速度を実現することができる。

本開示の一側面によれば、第一の液晶層の厚みが第二の液晶層の厚みとは異なってもよい。液晶デバイスの応答速度は、通常、液晶層厚の二乗に反比例する。一方、液晶デバイスの最大位相変調量は、通常、複屈折率及び液晶層厚に比例し、波長に反比例する。

すなわち、液晶層厚を大きくすると、応答速度は通常低下する。一方、複屈折率が一定であるとき、要求される最大位相変調量を実現するためには、入力光の波長が長くなるほど液晶層厚を大きくする必要がある。

本開示の一側面によれば、第一の液晶層を、第一の波長に対して適切な液晶材料及び厚みで構成し、第二の液晶層を、第二の波長に対して適切な液晶材料及び厚みで構成することができる。これにより、光耐久性及び応答速度に関して優れた光学システムを構成することができる。

例示的な液晶材料の吸収端波長は、青色波長帯に存在する。本開示の一側面によれば、第二の波長が青色波長であり、第一の波長が第二の波長より長い場合、第二の液晶層は、第一の液晶層より光耐久性の高い液晶材料で構成されてもよい。

液晶デバイスは、光作用により生じる重合反応によって劣化する。この劣化は、青色波長帯において生じやすい。従って、本開示の一側面によれば、第二の波長が青色波長である場合、第二の液晶層は、光作用により生じる重合反応を抑制する重合抑制剤を添加剤として含む液晶材料により構成されてもよい。第一の液晶層は、第二の液晶層より重合抑制剤の添加量の少ない液晶材料、又は、重合抑制剤なしの液晶材料により構成されてもよい。

本開示の一側面によれば、第一の波長が第二の波長より長い場合、第一の液晶層は、第二の液晶層より、複屈折率の高い液晶材料で形成されてもよい。液晶デバイスの最大位相変調量は、通常複屈折率に比例する。複屈折率の高い液晶材料を用いることによっては、望ましい最大位相変調量に対する液晶層厚を小さくすることができる。液晶層厚は、応答速度に影響する。従って、複屈折率の高い液晶材料を用いることによっては、長い波長に対しても高い応答速度を実現することができる。

複屈折率の向上は、例えば、トラン骨格を有する液晶性化合物を液晶材料に含有させることによって実現できる。従って、本開示の一側面によれば、第一の液晶層は、トラン骨格を有する液晶性化合物を含む液晶材料で構成されてもよい。一方、トラン系液晶材料は、青色波長帯において弱い光耐久性を示す。従って、本開示の一側面によれば、第二の波長が青色波長である場合、第二の液晶層は、トラン骨格を有する液晶性化合物を含まない液晶材料で構成されてもよい。

本開示の一側面によれば、第一の空間光位相変調器及び第二の空間光位相変調器は、それぞれ、最大位相変調量が２π以上であるように構成されてもよい。

本開示の一側面によれば、第一の光源は、赤色光源であってもよい。第二の光源は、青色光源であってもよい。光学システムは更に、第三の光源としての緑色光源と、第三の空間光位相変調器と、を備えてもよい。第三の空間光位相変調器は、第三の光源からの入射光に基づく第三の位相変調光を出力するように構成されてもよい。投射器は、第一の位相変調光、第二の位相変調光、及び第三の位相変調光を対象に投射して、対象にカラー画像を形成するように構成されてもよい。

本開示の一側面によれば、第一の空間光位相変調器、第二の空間光位相変調器、及び、第三の空間光位相変調器が、それぞれ、ＬＣＯＳデバイスにより構成されてもよい。

レーザプロジェクタの概略構成を表す図である。 空間光位相変調器の内部構造を表す断面図である。 液晶層厚と、応答時間及び最大位相変調量と、の関係を表すグラフである。 重合抑制剤添加量と、ＮＩ点と、の関係を表すグラフである。

１…レーザプロジェクタ、１１Ｒ…赤色光源、１１Ｇ…緑色光源、１１Ｂ…青色光源、１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ…ビーム拡大レンズ、１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂ…空間光位相変調器、１７Ｒ，１７Ｇ…ダイクロイックミラー、１９…プロジェクションレンズ、２０…コントローラ、１００…空間光位相変調器、１１０…シリコン基板、１２０…カバーガラス、１３０…透明電極層、１４０…第一の配向膜層、１５０，１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂ…液晶層、１６０…第二の配向膜層、１７０…反射層、１８０…下部電極層、１９０…回路層。

以下に本開示の例示的実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１に示す本実施形態のレーザプロジェクタ１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）の位相変調光を重ね合わせて、スクリーン３０上に投射することにより、スクリーン３０上にカラー画像を表示するように構成される。

レーザプロジェクタ１は、異なる波長の光を発する複数の光源を備える。具体的には、レーザプロジェクタ１は、赤色光源１１Ｒ、緑色光源１１Ｇ、及び青色光源１１Ｂを備える。以下において、サフィックス「Ｒ」を含む符号が付された要素は、赤色光に関連する。サフィックス「Ｇ」を含む符号が付された要素は、緑色光に関連する。サフィックス「Ｂ」を含む符号が付された要素は、青色光に関連する。

赤色光源１１Ｒ、緑色光源１１Ｇ、及び、青色光源１１Ｂのそれぞれは、対応する色のレーザ光を発射するレーザ光源である。

レーザプロジェクタ１は、赤色光源１１Ｒから発射される赤色レーザ光の伝播経路に、ビーム拡大レンズ１３Ｒ、空間光位相変調器１５Ｒ、ダイクロイックミラー１７Ｒ、及びプロジェクションレンズ１９を備える。図１において、赤色光源１１Ｒからプロジェクションレンズ１９まで延びる一点鎖線は、赤色レーザ光の伝播経路を概念的に示す。

赤色光源１１Ｒから発射される赤色レーザ光は、ビーム拡大レンズ１３Ｒを通じて、空間光位相変調器１５Ｒに入力される。空間光位相変調器１５Ｒは、入力される赤色レーザ光を、赤色の位相変調光に変換して出力する。空間光位相変調器１５Ｒは、液晶層１５０Ｒを備える液晶デバイス、特には、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスである。

空間光位相変調器１５Ｒは、液晶層１５０Ｒ上に、複数の画素に対応する二次元配列された複数の電極を有する。空間光位相変調器１５Ｒは、複数の電極からの液晶層１５０Ｒに対する電圧印加により、入力光を画素毎に位相変調するように構成される。

レーザプロジェクタ１は、空間光位相変調器１５Ｒを制御するために、コントローラ２０を備える。空間光位相変調器１５Ｒは、コントローラ２０により制御されて、赤色光源１１Ｒからの赤色レーザ光を、スクリーン３０に投影すべき画像に対応する位相変調光に変換する。

位相変調光は、表示すべき画像に対応する光強度分布をスクリーン３０上に形成するための位相分布を有するように生成される。コントローラ２０は、計算機生成ホログラム（ＣＧＨ： Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）技術を用いて、入力光を目的の位相変調光に変換することができる。

空間光位相変調器１５Ｒから出力された赤色の位相変調光は、ダイクロイックミラー１７Ｒによって反射され、プロジェクションレンズ１９に入力される。赤色の位相変調光は、プロジェクションレンズ１９を通じて、スクリーン３０に投射される。

レーザプロジェクタ１は更に、緑色光源１１Ｇからプロジェクションレンズ１９までの緑色レーザ光の伝播経路に、ビーム拡大レンズ１３Ｇ、空間光位相変調器１５Ｇ、ダイクロイックミラー１７Ｇを備える。図１において、緑色光源１１Ｇからプロジェクションレンズ１９まで延びる一点鎖線は、緑色レーザ光の伝播経路を概念的に示す。

緑色光源１１Ｇから発射される緑色レーザ光は、ビーム拡大レンズ１３Ｇを通じて、空間光位相変調器１５Ｇに入力される。空間光位相変調器１５Ｇは、入力される緑色レーザ光を、緑色の位相変調光に変換して出力する。空間光位相変調器１５Ｇは、液晶層１５０Ｇを備える液晶デバイス、特にはＬＣＯＳデバイスである。空間光位相変調器１５Ｇの基本構造は、上述の空間光位相変調器１５Ｒと同じである。

但し、空間光位相変調器１５Ｇの液晶層１５０Ｇは、緑色波長に対して適切な構成にされる。空間光位相変調器１５Ｒの液晶層１５０Ｒは、赤色波長に対して適切な構成にされている点で、空間光位相変調器１５Ｇと空間光位相変調器１５Ｒとは異なる。空間光位相変調器１５Ｒ及び空間光位相変調器１５Ｇの基本構造は、図２を用いて後述される。

空間光位相変調器１５Ｇは、コントローラ２０により制御されて、緑色光源１１Ｇからの緑色レーザ光を、スクリーン３０に投影すべき画像に対応する位相変調光に変換する。空間光位相変調器１５Ｇから出力された緑色の位相変調光は、ダイクロイックミラー１７Ｇによって、プロジェクションレンズ１９に向けて反射される。

ダイクロイックミラー１７Ｇによって反射された緑色の位相変調光は、ダイクロイックミラー１７Ｒを透過して、プロジェクションレンズ１９に入力される。緑色の位相変調光は、プロジェクションレンズ１９を通じて、スクリーン３０に投射される。

レーザプロジェクタ１は更に、青色光源１１Ｂからプロジェクションレンズ１９までの青色レーザ光の伝播経路に、ビーム拡大レンズ１３Ｂ及び空間光位相変調器１５Ｂを備える。図１において、青色光源１１Ｂからプロジェクションレンズ１９まで延びる一点鎖線は、青色レーザ光の伝播経路を概念的に示す。

青色光源１１Ｂから発射される青色レーザ光は、ビーム拡大レンズ１３Ｂを通じて、空間光位相変調器１５Ｂに入力される。空間光位相変調器１５Ｂは、入力される青色レーザ光を、青色の位相変調光に変換して出力する。空間光位相変調器１５Ｂは、液晶層１５０Ｂを備える液晶デバイス、特にはＬＣＯＳデバイスである。空間光位相変調器１５Ｂの基本構造は、上述の空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇと同じである。

但し、空間光位相変調器１５Ｂの液晶層１５０Ｂは、青色波長に対して適切な構成にされている点で、上述の空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇとは異なる。空間光位相変調器１５Ｂは、コントローラ２０により制御されて、青色光源１１Ｂからの青色レーザ光を、スクリーン３０に投影すべき画像に対応する位相変調光に変換する。

空間光位相変調器１５Ｂから出力された青色の位相変調光は、ダイクロイックミラー１７Ｇ及びダイクロイックミラー１７Ｒを順に透過して、プロジェクションレンズ１９に入力される。青色の位相変調光は、プロジェクションレンズ１９を通じて、スクリーン３０に投射される。

プロジェクションレンズ１９を通じてスクリーン３０に投射される赤色、緑色、及び青色の位相変調光は、スクリーン３０上で重ね合わせられて、一つのカラー画像を形成する。

続いて、空間光位相変調器１００の基本構造を、図２を用いて説明する。空間光位相変調器１００は、上述の空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂを代表する一つの空間光位相変調器である。

図２に示す空間光位相変調器１００は、シリコン基板１１０上に、カバーガラス１２０と、透明電極層１３０と、第一の配向膜層１４０と、液晶層１５０と、第二の配向膜層１６０と、反射層１７０と、下部電極層１８０と、回路層１９０とを備える。液晶層１５０は、上述の液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂに対応する。

カバーガラス１２０は、光が入力される固体材料層として、空間光位相変調器１００の最上層に位置する。光源からの光は、カバーガラス１２０に入力される。透明電極層１３０は、カバーガラス１２０の下に位置する。第一の配向膜層１４０、液晶層１５０、及び第二の配向膜層１６０は、透明電極層１３０の下に位置する。

第一の配向膜層１４０は、液晶層１５０の上で、液晶層１５０に隣接するように配置される。第二の配向膜層１６０は、液晶層１５０の下で、液晶層１５０に隣接するように配置される。第一の配向膜層１４０及び第二の配向膜層１６０は、液晶分子の初期配向を空間光位相変調器１００内の各層に対して垂直に制御するための垂直配向膜として構成される。

液晶層１５０は、第一の配向膜層１４０と第二の配向膜層１６０との間に配置される。液晶層１５０は、第一の配向膜層１４０及び第二の配向膜層１６０の影響を受けて、電圧印加のない無電界状態で液晶分子が垂直に配向される垂直配向（ＶＡ）液晶層として構成される。

反射層１７０は、第二の配向膜層１６０の下に位置し、空間光位相変調器１００の上方から、カバーガラス１２０に入力され、透明電極層１３０、第一の配向膜層１４０、液晶層１５０、及び第二の配向膜層１６０を順に通過して伝播してくる光を反射するように構成される。

カバーガラス１２０への入力光に対する反射層１７０からの反射光は、第二の配向膜層１６０、液晶層１５０、第一の配向膜層１４０、透明電極層１３０、及びカバーガラス１２０を順に通って上方に伝播し、入力光に対する位相変調光として出力される。

下部電極層１８０は、画素毎の電極を備え、透明電極層１３０と共に、コントローラ２０からの駆動信号を受けて、液晶層１５０に、画素毎の電圧を印加する。電圧印加により、液晶層１５０には電界が形成される。この電界形成により、液晶層１５０を通過する光には画素毎の位相シフトが生じ、位相変調が実現される。

上述の空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂは、液晶層１５０を構成する液晶材料及び液晶層厚ｄが、入力光の波長に応じて適切に選択された空間光位相変調器１００に対応する。すなわち、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂは、液晶材料及び液晶層厚ｄを除けば、図２に示す空間光位相変調器１００と同一構造を有することができる。

続いて、液晶材料及び液晶層厚ｄの詳細を説明する。レーザプロジェクタ１においては、残像の少ない動画再生のために、液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂが高い応答速度を備えていることが好ましい。

代表的な空間光位相変調器１００の応答時間τは、図３に示すように、液晶層厚ｄの二乗に比例する。換言すれば、応答速度は、液晶層厚ｄの二乗に反比例する。このことから、応答速度を高めるには、液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂを薄く形成すればよいことが理解できる。

しかしながら、空間光位相変調器１００の各画素における最大位相変調量φは、理論上、式φ＝（２π／λ）・Δｎ・２ｄで定まる。ここで、λは、入力光の波長であり、Δｎは、液晶層１５０の複屈折率であり、ｄは、液晶層厚である。

任意の位相変調光を形成するために要求される最大位相変調量φは、２π以上である。すなわち、レーザプロジェクタ１における空間光位相変調器１００の使用を考えた場合、液晶層厚ｄは、最大位相変調量φが２π以上となる範囲でしか、小さくすることができない。

従って、応答速度は、要求される２π以上の最大位相変調量φの制約を受ける。最大位相変調量φは、複屈折率Δｎに比例することから、複屈折率Δｎの高い液晶材料を用いて液晶層１５０を構成すれば、必要な液晶層厚ｄを抑えることができ、応答速度を高めることができることも理解できる。

しかしながら、複屈折率Δｎの高い液晶材料は、複屈折率Δｎの低い液晶材料と比較すると、概して高エネルギー光に対する耐久性が低い。従って、レーザ光という高エネルギー光を取り扱うレーザプロジェクタ１においては、液晶材料の選択に制約を受ける。

このように、空間光位相変調器１００は、応答速度を高めると光耐久性が弱くなり、光耐久性を高めると応答速度が低下するという、光耐久性及び応答速度に対して相反する性質を示す。

空間光位相変調器１００が上述した性質を有するため、仮に、同一の空間光位相変調器１００を３つ用意し、これらを空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂとして、レーザプロジェクタ１内に配置すると、レーザプロジェクタ１全体の応答速度が非常に遅くなる。

すなわち、光耐久性のために、高い複屈折率Δｎを有する液晶材料を使用することができないことから、２π以上の最大位相変調量φを実現するために、大きい液晶層厚ｄを選択しなければならない。

最大位相変調量φは、上述のように波長λに反比例する。このことから、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂが同一の空間光位相変調器１００である場合、波長λが最も長い赤色レーザ光に対する最大位相変調量が２π以上となるように、空間光位相変調器１００の液晶層１５０の厚みｄは、決定される。この場合、液晶層１５０の厚みｄは、非常に大きくなり、空間光位相変調器１００の応答速度は、非常に遅くなる。

本開示者らは、こうした応答速度の低下を抑えるための方策を熟慮したところ、液晶材料の吸光度が通常４００ｎｍから５００ｎｍまでの波長帯で高くなる性質に注目すれば、レーザプロジェクタ１全体で応答速度が向上することに気がついた。

すなわち、複屈折率Δｎの高い液晶材料の選択が光耐久性の低下に大きく影響を与えるのは、青色レーザ光を取り扱う空間光位相変調器１５Ｂであり、赤色レーザ光を取り扱う空間光位相変調器１５Ｒに対する影響は、空間光位相変調器１５Ｂと比較して小さいことに気がついた。

更には、最大位相変調量φが波長λに反比例することから、空間光位相変調器１５Ｒ、１５Ｇ，１５Ｂのうち、相対的に高い複屈折率Δｎが求められるのは、空間光位相変調器１５Ｒであることに気づいた。

このような発見から、本実施形態では、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂが、異なる液晶材料及び液晶層厚ｄで構成される。空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂのそれぞれについて、光耐久性及び応答速度の観点で、入力波長に対して好適な液晶材料及び液晶層厚が選択される。これにより、本実施形態では、レーザプロジェクタ１の全体において、高い光耐久性及び応答速度が実現されている。

表１には、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂにおいて好適な液晶材料の組合せが例示される。

波長６５０ｎｍ帯の赤色レーザ光を取り扱う空間光位相変調器１５Ｒでは、液晶層１５０Ｒの形成のために、トラン系液晶材料を用いるのが適切である。本明細書でいうトラン系液晶材料は、トラン骨格を有する液晶性化合物を含む液晶材料である。以下では、トラン骨格を有する液晶性化合物のことを、トラン系化合物ともいう。

液晶材料の複屈折率Δｎは、液晶材料にトラン系化合物を含有させることにより向上する。従って、トラン系液晶材料を用いて空間光位相変調器１５Ｒの液晶層１５０Ｒを構成すれば、２π以上の最大位相変調量を実現するために必要な液晶層厚ｄを小さくすることができる。液晶層１５０Ｒの厚みは、最大位相変調量φ＝２πが確実に実現される最小の厚みに設定され得る。

波長４５０ｎｍ帯の青色レーザ光を取り扱う空間光位相変調器１５Ｂでは、液晶層１５０Ｂの形成のために、非トラン系液晶材料を用いるのが適切である。本明細書でいう非トラン系液晶材料は、トラン系化合物を含まない液晶材料である。

液晶性化合物は、通常、低分子有機化合物であり、強い光の照射に対して光感受性を有する。例えば、液晶性化合物は、硬直なπ骨格、柔軟な側鎖、及び極性基を有する低分子有機化合物である。

従って、代表的な液晶層１５０では、入力光により液晶性化合物の分子骨格の一部が励起状態となり、ラジカルが生じ得る。液晶層１５０は、入力光の作用により生じる活性の高いラジカルを成長種として、連鎖的にモノマーが付加して重合が進行していくことで劣化する。活性の高いラジカルの発生は、トラン系化合物において特に生じやすい。

すなわち、トラン系液晶材料は、非トラン系液晶材料と比較して、複屈折率Δｎの向上には役立つが、液晶層１５０における光耐久性の低下を引き起こしやすい。このような重合反応による光耐久性の低下は、４００ｎｍから５００ｎｍまでの波長帯で発生しやすい。

最大位相変調量φは、波長λに反比例する。従って、空間光位相変調器１５Ｂにおける複屈折率Δｎの高さは、空間光位相変調器１５Ｒに対して相対的に重要ではない。空間光位相変調器１５Ｂには、複屈折率Δｎの高い材料よりも光耐久性の高い材料が求められる。従って、空間光位相変調器１５Ｂの液晶層１５０Ｂは、トラン系液晶材料よりも光耐久性の高い非トラン系液晶材料で構成されるのが適切である。

空間光位相変調器１５Ｇは、波長５５０ｎｍ帯の緑色レーザ光を取り扱う。このため、空間光位相変調器１５Ｇの液晶層１５０Ｇは、トラン系液晶材料で構成されてもよいし、非トラン系液晶材料で構成されてもよい。

液晶層１５０Ｇの形成には、空間光位相変調器１５Ｒと同じトラン系液晶材料が用いられてもよいし、異なるトラン系液晶材料が用いられてもよい。異なるトラン系液晶材料の例には、空間光位相変調器１５Ｒに用いられるトラン系液晶材料よりも、小さい複屈折率Δｎ及び高い光耐久性を備えた液晶材料が含まれる。

こうした材料選択により、空間光位相変調器１５Ｇの複屈折率Δｎ＝Ｎ２は、空間光位相変調器１５Ｒの複屈折率Δｎ＝Ｎ１以下に設定され得る。また、空間光位相変調器１５Ｂの複屈折率Δｎ＝Ｎ３は、空間光位相変調器１５Ｇの複屈折率Δｎ＝Ｎ２以下であって、空間光位相変調器１５Ｒの複屈折率Δｎ＝Ｎ１未満に設定され得る。

液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂは、光作用により生じる重合反応を抑制する重合抑制剤を添加剤として含む液晶材料により構成されてもよいし、重合抑制剤を含まない液晶材料により構成されてもよい。重合抑制剤を添加剤として含む液晶材料は、一種類以上の液晶性化合物からなる液晶性混合物に、重合抑制剤を混合して生成され得る。

重合抑制剤は、ラジカルを捕捉する安定ラジカル化合物などで生成され得る。この場合、重合抑制剤は、活性ラジカルと反応して、活性ラジカルを不活性化するように働く。重合抑制剤を含む液晶材料により液晶層１５０が構成される場合、液晶層１５０のラジカル重合に起因する損傷が抑制される。すなわち、重合抑制剤を含む液晶層１５０では、光耐久性が高まる。

ラジカル重合による損傷の可能性は、青色レーザ光を取り扱う空間光位相変調器１５Ｂにおいて高く、５００ｎｍ帯から離れた赤色レーザ光を取り扱う空間光位相変調器１５Ｒにおいて低い。

従って、第一例によれば、重合抑制剤は、空間光位相変調器１５Ｂの液晶層１５０Ｂのみに添加され、空間光位相変調器１５Ｇ，１５Ｒの液晶層１５０Ｇ，１５０Ｒには添加されなくてもよい。表２の例によれば、液晶層１５０Ｂにおける重合抑制剤の添加量は、液晶材料の５重量％であり得る。

レーザ光のパワーが大きく、全波長帯に対する光耐久性を高める必要がある場合、重合抑制剤は、全色の空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂに添加され得る。第二例によれば、重合抑制剤は、波長が青色波長帯に向けて短くなるほど添加量が増加するように、液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂに添加され得る。

表２の例によれば、液晶層１５０Ｒにおける重合抑制剤の添加量は、液晶材料の１重量％であり得る。液晶層１５０Ｇにおける重合抑制剤の添加量は、液晶材料の２重量％であり得る。液晶層１５０Ｂにおける重合抑制剤の添加量は、液晶材料の５重量％であり得る。

全波長帯に対する光耐久性を高める必要がある場合、重合抑制剤は、全色の空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂに対して一律に添加されてもよい。表２の第三例によれば、液晶層１５０Ｒ、１５０Ｇ，１５０Ｂにおける重合抑制剤の添加量は、それぞれ液晶材料の１０重量％である。

液晶相と等方性流体との境界温度であるＮＩ点は、図４に示すように、重合抑制剤の添加量が増加するほど低下する。液晶材料の温度がＮＩ点を超えると、液晶材料は、等方性流体になり、液晶としての性質を失う。すなわち、重合抑制剤の添加量が増加するほど、液晶層１５０の光耐久性は向上するが、液晶層１５０の動作可能な温度範囲は、低下する。動作可能な温度範囲は、図４においてハッチングされた領域として示される。

従って、重合抑制剤の添加量は、上記の例に限定されず、レーザ光の強度と液晶層１５０の光吸収特性とを加味して、必要最小限とされ得る。また、重合抑制剤は、液晶性混合物に対し溶解性を示し且つ反応しない重合抑制剤であり得る。液晶性混合物に溶解しやすく液晶材料の物性を大きく変化させないという観点で、液晶分子構造に近い有機化合物が重合抑制剤として選択され得る。

例示的な有機化合物の分子構造は、重合抑制剤の基本構造に加えて側鎖アルキル基構造をもつ分子構造である。重合抑制剤の基本構造としては、キノン類であるヒドロキノン、ｐ－ベンゾキノン、ニトロ化合物であるｏ－ジニトロベンゼン、ｍ－ジニトロベンゼン、ｐ－ジニトロベンゼン、２，４－ジニトロベンゼン、１，３，５－トリニトロベンゼン、１，３，５－トリニトロアニソール、１，３，５－トリニトロトルエン、ジニトロジュレン、ニトロフェノール類であるｏ－ニトロフェノール、ｍ－ニトロフェノール、ｐ－ニトロフェノール、２，４－ジニトロフェノール、２，４，６－トリニトロフェノール、ニトロソ、ニトロン化合物であるニトロソベンゼン、メチル－α－ニトロソイソプロピルケトン、フェニル－ｔ－ブチルニトロンの構造を例に挙げることができる。

液晶状態を示す有機化合物は、ベンゼン環等の芳香環構造とアルキル基とを共に持つ構造をしている。すなわち、液晶分子構造に近い有機化合物とは、芳香環構造とアルキル基構造とを共に有する化合物である。

液晶分子構造に近い有機化合物の具体例には、２－ドデシルフェノール、２，６－ｔｅｒｔ－ブチル－ｐ－クレゾール、ｔｅｒｔ－ブチルヒドロキノン、４－ｔｅｒｔ－ブチルピロカテコール、２－ｔｅｒｔ－ブチル－１，４－ベンゾキノン、６－ｔｅｒｔ－ブチル－２，４－キシレノール、２，６－ジ－ｔｅｒｔ－ブチルフェノールが含まれる。これらの例示された有機化合物は、Ｃ３以上、すなわち炭素数３以上のアルキル基を有する。炭素数３以上のアルキル基を有する上述の有機化合物は、液晶性混合物に特に溶解しやすく、高濃度の添加に向いている。

液晶性混合物には、以上に例示した液晶分子構造に近い有機化合物の一つ又は複数を重合抑制剤として添加することができる。例えば、液晶性混合物には、２－ドデシルフェノール（分子式Ｃ₁₈Ｈ₃₀Ｏ，分子量２６２．４４）を重合抑制剤として添加することができる。あるいは、２，６－ジ－ｔｅｒｔ－ブチル－ｐ－クレゾール（分子式Ｃ₁₅Ｈ₂₄Ｏ，分子量２２０．３６）を重合抑制剤として添加することができる。

空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂでは、光吸収により発熱が生じる。発熱は、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂの熱損傷の原因となり得る。そのため、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂの構成要素、例えば、カバーガラス１２０、透明電極層１３０、第一の配向膜層１４０、第二の配向膜層１６０、及び、反射層１７０は、熱損傷の抑制を考慮した材料で構成されてもよい。

熱損傷の抑制のためには、高い耐熱性を有する材料を選択することができる。あるいは、熱伝導率の良好な材料を選択して、熱をすばやく拡散させることができる。あるいは、透過率の良好な材料を選択して、光吸収による発熱を抑えることができる。

例えば、カバーガラス１２０の材料は、入力光の波長に応じて、サファイア及び石英の中から選択され得る。透明電極層１３０は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）透明電極層として構成され得る。第一及び第二の配向膜層１４０，１６０は、ケイ素酸化物（ＳｉＯｘ）の無機配向膜層として構成され得る。

反射層１７０は、無機材料の多層構造で構成され得る。無機材料の例には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂又はＴｉ₂Ｏ₃）、及び、フッ化マグネシウムＭｇＦ₂が含まれる。無機材料の多層構造によれば、透過率１％未満の反射層１７０を構成することができ、反射層１７０での発熱を抑制することができる。

以上に説明したように、本実施形態では、異なる波長の光を取り扱う空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂの液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂのそれぞれが、入力光の波長に応じた適切な液晶材料であって、特には光耐久性及び応答速度の観点で適切な液晶材料で構成される。

液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂには、必要に応じて重合抑制剤が添加される。更には、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂは、発熱を考慮して選択された材料により構成される。

従って、本実施形態によれば、高い光耐久性と高い応答速度とを備えたレーザプロジェクタ１を提供することができる。

本開示が、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採り得ることは言うまでもない。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）の応答速度を同速度とするために、空間光位相変調器１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂの液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂは、同じ厚みｄで構成されてもよい。あるいは、液晶層１５０Ｒ，１５０Ｇ，１５０Ｂは、それぞれ個別に、要求される最大位相変調量φを実現する最小の厚みに設定されてもよい。この場合には、各色の応答速度を、最大化することができる。

本開示の技術は、異なる波長を取り扱う複数の空間光位相変調器を備える種々の光学システムに適用することができる。空間光位相変調器は、ＬＣＯＳデバイス以外の液晶デバイスであってもよい。

空間光位相変調器は、図２に示す反射型の液晶デバイスに限られない。空間光位相変調器は、透過型の液晶デバイスであってもよい。液晶デバイスは、水平配向（ＨＡ）型の液晶デバイス又はＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型の液晶デバイスであってもよい。

上記実施形態における１つの構成要素が有する機能は、複数の構成要素に分散して設けられてもよい。複数の構成要素が有する機能は、１つの構成要素に統合されてもよい。上記実施形態の構成の一部は、省略されてもよい。特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

Claims (7)

1. 第一の波長の光を発する第一の光源と、
   前記第一の波長とは異なる第二の波長の光を発する第二の光源と、
   前記第一の光源からの前記第一の波長の入射光に基づく第一の位相変調光を出力する第一の空間光位相変調器と、
   前記第二の光源からの前記第二の波長の入射光に基づく第二の位相変調光を出力する第二の空間光位相変調器と、
   前記第一の位相変調光及び前記第二の位相変調光を対象に投射する投射器と、
   を備え、
   前記第一の空間光位相変調器は、前記第一の波長の前記入射光から前記第一の位相変調光を生成するための第一の液晶層を含む液晶デバイスであり、
   前記第二の空間光位相変調器は、前記第二の波長の前記入射光から前記第二の位相変調光を生成するための第二の液晶層を含む液晶デバイスであり、
   前記第一の液晶層は、前記第二の液晶層とは異なる液晶材料で構成され、
   前記第一の波長は、前記第二の波長より長く、
   前記第二の波長は、青色波長であり、
   前記第二の液晶層は、前記第一の液晶層より光耐久性の高い液晶材料であって、光作用により生じる重合反応を抑制する重合抑制剤を添加剤として含む液晶材料により構成され、
   前記第一の液晶層は、前記第二の液晶層より複屈折率の高い液晶材料であって、前記第二の液晶層より前記重合抑制剤の添加量の少ない液晶材料により構成される光学システム。
2. 第一の波長の光を発する第一の光源と、
   前記第一の波長とは異なる第二の波長の光を発する第二の光源と、
   前記第一の光源からの前記第一の波長の入射光に基づく第一の位相変調光を出力する第一の空間光位相変調器と、
   前記第二の光源からの前記第二の波長の入射光に基づく第二の位相変調光を出力する第二の空間光位相変調器と、
   前記第一の位相変調光及び前記第二の位相変調光を対象に投射する投射器と、
   を備え、
   前記第一の空間光位相変調器は、前記第一の波長の前記入射光から前記第一の位相変調光を生成するための第一の液晶層を含む液晶デバイスであり、
   前記第二の空間光位相変調器は、前記第二の波長の前記入射光から前記第二の位相変調光を生成するための第二の液晶層を含む液晶デバイスであり、
   前記第一の液晶層は、前記第二の液晶層とは異なる液晶材料で構成され、
   前記第一の波長は、前記第二の波長より長く、
   前記第二の波長は、青色波長であり、
   前記第二の液晶層は、前記第一の液晶層より光耐久性の高い液晶材料であって、光作用により生じる重合反応を抑制する重合抑制剤を添加剤として含む液晶材料により構成され、
   前記第一の液晶層は、前記第二の液晶層より複屈折率の高い液晶材料であって、前記重合抑制剤を含まない液晶材料により構成される光学システム。
3. 前記第一の液晶層の厚みが前記第二の液晶層の厚みとは異なる請求項１又は請求項２記載の光学システム。
4. 前記第一の液晶層は、トラン骨格を有する液晶性化合物を含む液晶材料で構成され、前記第二の液晶層は、トラン骨格を有する液晶性化合物を含まない液晶材料で構成される請求項１～請求項３のいずれか一項記載の光学システム。
5. 前記第一の空間光位相変調器及び第二の空間光位相変調器は、それぞれ、最大位相変調量が２π以上であるように構成される請求項１～請求項４のいずれか一項記載の光学システム。
6. 前記第一の光源は、赤色光源であり、
   前記第二の光源は、青色光源であり、
   前記光学システムは更に、
   第三の光源としての緑色光源と、
   前記第三の光源からの入射光に基づく第三の位相変調光を出力する第三の空間光位相変調器と、
   を備え、
   前記投射器は、前記第一の位相変調光、前記第二の位相変調光、及び前記第三の位相変調光を前記対象に投射して、前記対象にカラー画像を形成する請求項１～請求項５のいずれか一項記載の光学システム。
7. 前記第一の空間光位相変調器、前記第二の空間光位相変調器、及び、前記第三の空間光位相変調器は、それぞれ、ＬＣＯＳデバイスにより構成される請求項６記載の光学システム。

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