JP2016114899A

JP2016114899A - 液晶光学デバイス

Info

Publication number: JP2016114899A
Application number: JP2014255514A
Authority: JP
Inventors: 綾乃田辺; Ayano Tanabe
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23

Abstract

【課題】液晶層の両側に透明電極のパターンが形成される液晶素子において、液晶素子を効率的に駆動できる印加電圧の範囲を有効に活用可能な液晶光学デバイスを提供する。【解決手段】液晶光学デバイスは、液晶素子２と制御回路とを有する。該制御回路は、液晶素子２の液晶層１０の一方の面に設けられた第１の透明電極１３に電圧を印加することで液晶層１０に生じる第１の電圧分布と、液晶層１０の他方の面に設けられた第２の透明電極１４に電圧を印加することで液晶層１０に生じる第２の電圧分布とにおける、電圧差の最小値が、液晶層１０への印加電圧の変化に対する液晶層１０を透過する光束に与えられるリタデーションの変化が最大となる第１の印加電圧よりも低くなり、かつ、第１の電圧分布と第２の電圧分布とにおける、電圧差の最大値が、その第１の印加電圧よりも高くなるように、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４間に電圧を印加する。【選択図】図２

Description

本発明は、光束に位相分布を与える液晶光学デバイスに関する。

従来より、光学系内に液晶素子を配置して、その液晶素子の屈折率可変性を利用して、液晶素子を透過する光束に所望の位相分布を与えることにより、光学系の焦点距離を変更したり、あるいは、収差を補正することが研究されている。液晶素子が有する液晶層の屈折率は、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極間に印加される電圧によって調節される。そこで、このような液晶素子では、例えば、光束が透過する液晶層の少なくとも一方の面に、液晶層を透過する光束に与える位相分布に応じた複数の透明電極が設けられる。そして、その複数の透明電極のそれぞれと、液晶層の他方の面に設けられる透明電極との間に印加する電圧を調節することで、液晶層を透過する光束に所望の位相分布が与えられる。さらに、一つの液晶素子が、透過する光束に対して互いに直交関係にある二つの位相分布を与えることが可能なように、液晶素子が有する液晶層の一方の面に設けられる第１の透明電極のパターンと、液晶層の他方の面に設けられる第２の透明電極のパターンとを互いに異ならせることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１１−１１０８０２号公報

液晶素子を効率よく駆動するためには、液晶層への印加電圧の変化と液晶層が光束に与えるリタデーション、すなわち、互いに直交する二つの偏光成分間の光路長差の変化との関係が略線形となり、かつ、印加電圧の変化に対するリタデーションの変化が比較的急峻となる印加電圧の範囲で液晶素子は駆動されることが好ましい。印加電圧の変化とリタデーションの変化が略線形であれば、液晶層を透過する光束に与える位相変調量に応じた印加電圧の設定方法が簡単となる。また、印加電圧の変化に対するリタデーションの変化が急峻なほど、わずかな印加電圧の変化で大きな位相変調量を液晶層を透過する光束に与えられるためである。しかし、特許文献１に開示されるような液晶素子では、液晶層の一方の面に設けられる第１の透明電極が与える位相分布と、液晶層の他方の面に設けられる第２の透明電極が与える位相分布とが独立に調節されると、上記のような印加電圧の範囲を有効に活用できないおそれがあった。

そこで、本発明は、液晶層の両側に透明電極のパターンが形成される液晶素子において、液晶素子を効率的に駆動できる印加電圧の範囲を有効に活用可能な液晶光学デバイスを提供する。

本発明の一つの実施形態によれば、液晶素子と、前記液晶素子に印加する電圧を制御する制御回路とを有する液晶光学デバイスが提供される。この液晶光学デバイスにおいて、液晶素子は、所定の方向に配向された液晶分子が封入された液晶層と、液晶層の一方の面に設けられ、複数の部分電極を有する第１の透明電極と、液晶層の他方の面に設けられ、複数の部分電極を有する第２の透明電極とを有する。また制御回路は、第１の透明電極が有する複数の部分電極に電圧を印加することで液晶層に生じる第１の電圧分布と、第２の透明電極が有する複数の部分電極に電圧を印加することで液晶層に生じる第２の電圧分布とにおける、電圧差の最小値が、液晶層への印加電圧の変化に対する液晶層を透過する光束に与えられるリタデーションの変化が最大となる第１の印加電圧よりも低くなり、かつ、第１の電圧分布と第２の電圧分布とにおける、電圧差の最大値が、その第１の印加電圧よりも高くなるように、第１の透明電極と第２の透明電極間に電圧を印加する。

この液晶光学デバイスにおいて、制御回路は、電圧差の最小値が、液晶層への印加電圧の変化に対する液晶層を透過する光束に与えられるリタデーションの変化の関係が線形とみなせる印加電圧の範囲の下限値となり、かつ、電圧差の最大値が、その印加電圧の範囲の上限値となるように、第１の透明電極と第２の透明電極間に電圧を印加することが好ましい。

本発明によれば、液晶光学デバイスは、その液晶光学デバイスが有する、液晶層の両側に透明電極のパターンが形成される液晶素子を効率的に駆動できる印加電圧の範囲を有効に活用できる。

本発明の一つの実施形態による液晶光学デバイスの概略構成図である。（ａ）は、液晶光学デバイスが有する液晶素子の概略側面図であり、（ｂ）は、液晶光学デバイスが有する液晶素子の概略正面図である。液晶層の一方の面に設けられる透明電極の配置パターンの一例を示す図である。液晶層の他方の面に設けられる透明電極の配置パターンの一例を示す図である。各輪帯電極と印加される電圧との関係の一例を示す図である。（ａ）は、各透明電極から液晶層に印加される電圧の分布の一例を示す図である。（ｂ）は、（ａ）に対応する、各透明電極から液晶層に印加される電圧間の差の分布の一例を示す図である。液晶層の印加電圧とリタデーションの関係の一例を示す図である。実施形態または変形例による液晶光学デバイスを有するレーザー顕微鏡の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明による液晶光学デバイスの好適な実施の形態について詳細に説明する。
この液晶光学デバイスが有する液晶素子では、液晶層を挟んで対向する二つの透明電極のそれぞれが複数の部分電極を有する。そのため、液晶光学デバイスは、各透明電極に印加する電圧を調整することで、液晶層を透過する光束に対して、各透明電極の部分電極の配置パターンに応じた互いに直交関係にある２種類の位相分布を与えることが可能となっている。そしてこの液晶光学デバイスは、一方の透明電極から液晶層に与えられる印加電圧の分布と、他方の透明電極から液晶層に与えられる印加電圧の分布における、印加電圧の差の最小値が、液晶層への印加電圧の変化に対する液晶層が透過する光束に与えるリタデーションの変化が最大となる印加電圧（以下、説明の便宜上、最大変化電圧と呼ぶ）よりも低く、かつ、その印加電圧の差の最大値が、最大変化電圧よりも高くなるように、二つの透明電極間、すなわち、液晶層に印加する電圧を調整する。これにより、この液晶光学デバイスは、液晶素子を効率的に駆動できる印加電圧の範囲を有効活用可能とする。

図１は、本発明の一つの実施形態による液晶光学デバイスの概略構成図である。液晶光学デバイス１は、液晶素子２と、制御回路３とを有する。そして液晶素子２が含まれる光学系を透過する光束は、液晶素子２が有する液晶層を透過することにより、液晶素子２によって位相変調される。これにより、液晶光学デバイス１は、光束に対して所望の位相分布、例えば、その光学系にて発生する波面収差を補正する位相分布を与える。
なお、液晶光学デバイス１が有する液晶素子の数は１個に限られず、液晶光学デバイス１は、複数個の液晶素子を光軸に沿って有していてもよい。

図２（ａ）は、液晶素子２の概略正面図であり、図２（ｂ）は、液晶素子２の概略側面図である。
液晶素子２は、液晶層１０と、光軸ＯＡに沿って液晶層１０の両側に略平行に配置された透明基板１１、１２を有する。そして液晶層１０に含まれる液晶分子１５は、透明基板１１及び１２と、シール部材１６との間に封入されている。なお、図２（ｂ）において、説明のために、液晶分子１５のサイズは、実際の液晶分子のサイズよりも誇張されている。また液晶素子２は、透明基板１１と液晶層１０の間に配置された透明電極１３と、液晶層１０と透明基板１２の間に配置された透明電極１４とを有する。なお、透明基板１１、１２は、例えば、ガラスまたは樹脂など、所定の波長域に含まれる波長を持つ光に対して透明な材料により形成される。また透明電極１３、１４は、例えば、ＩＴＯと呼ばれる、酸化インジウムに酸化スズを添加した材料により形成される。また、透明電極１３、１４と、液晶層１０の間には、液晶分子１５を所定の方向に配向させる配向膜（図示せず）が配置されてもよい。

透明電極１３及び透明電極１４は、それぞれ、複数の部分電極を有する。そして透明電極１３及び透明電極１４のそれぞれの各部分電極は、液晶層１０を透過する光束に与える位相変調量の分布に応じたパターンに応じて配置される。そして透明電極１３と透明電極１４の間には、液晶層１０を透過する光束に、透明電極１３が有する部分電極の配置パターン及び透明電極１４が有する部分電極の配置パターンに応じた位相変調量の分布を与えるよう、制御回路３から電圧が印加される。なお、透明電極１３及び透明電極１４の部分電極の配置パターン及び制御回路３がその二つの透明電極間に印加する電圧、すなわち、液晶層１０に印加する電圧の制御方法の詳細については後述する。

液晶層１０に封入された液晶分子１５は、例えば、液晶分子１５の長軸方向が、液晶素子２に入射する直線偏光の偏光面と略平行となるようにホモジニアス配向される。すなわち、液晶分子１５のそれぞれは、その長軸方向がお互いに平行となり、かつ、透明基板１１、１２と液晶層１０との界面と平行に並んでいる。

液晶分子１５は、その長軸方向における屈折率と長軸方向に直交する方向における屈折率とが異なり、液晶分子１５の長軸方向に平行な偏光成分（異常光線）に対する屈折率ｎ_ｅは、液晶分子１５の短軸方向に平行な偏光成分（常光線）に対する屈折率ｎ_ｏよりも高い。そのため、液晶分子１５をホモジニアス配向させた液晶素子２は、１軸性の複屈折素子として振舞う。

液晶分子１５は、誘電率異方性を持ち、一般に液晶分子長軸が電界方向に倣う方向に力が働く。すなわち、液晶分子１５を挟む２枚の透明基板１１、１２に設けられた透明電極１３、１４間に電圧が印加されると、液晶分子１５の長軸方向は、透明基板１１、１２に平行な状態から、印加される電圧に応じて透明基板１１、１２の表面に直交する方向に傾いてくる。このとき、液晶分子１５の長軸に平行な偏光成分の光束を考えると、液晶層１０の屈折率ｎ_ψは、ｎ_o≦ｎ_ψ≦ｎ_e（ｎ_oは常光の屈折率、ｎ_eは異常光の屈折率）となる。そのため、液晶層１０の厚さがｄであると、液晶層１０のうち、電圧が印加された領域を通る光束と印加されていない領域を通る光束の間に、光路長差Δｎｄ（＝ｎ_eｄ−ｎ_ψｄ)が生じる。この光路長差は、液晶分子１５の長軸と直交する偏光成分と液晶分子１５の長軸に平行な偏光成分間の光路長差、すなわち、リタデーションとも等しい。すなわち、リタデーションが大きいほど、液晶層１０のうち、電圧が印加された領域を通る光束と印加されていない領域を通る光束間の位相差２πΔｎｄ／λも大きくなる。なお、λは、液晶層１０に入射する光束の波長である。また、ある部分電極に印加される電圧がVaのときの液晶層１０のその部分電極に対応する部分の屈折率がnaであり、他の部分電極に印加される電圧がVbのときの液晶層１０のその部分電極に対応する部分の屈折率がnbであるとすると、その二つの輪帯を透過した光束間に生じる位相差は２π(na-nb)ｄ／λとなる。

制御回路３は、例えば、プロセッサと、メモリと、プロセッサからの駆動信号に応じて出力する電圧を変更可能な駆動回路とを有する。そして制御回路３の駆動回路から出力される電圧は、透明電極１３と透明電極１４との間に印加されるように、その駆動回路と透明電極１３及び透明電極１４とは電気的に接続される。
制御回路３は、例えば、液晶素子２を含む光学系で生じる収差を液晶素子２が補正できるように、その収差を打ち消す位相変調の分布に応じた電圧分布が液晶層１０に生じるように透明電極１３と透明電極１４との間に電圧を印加する。
以下、各透明電極の配置パターンについて説明する。

図３は、透明電極１３の配置パターンの一例を示す図である。この例では、透明電極１３は、液晶素子２を含む光学系で生じる３次球面収差を補正するための位相変調量を液晶層１０を透過する光束に与える。そのために、透明電極１３は、光軸ＯＡを中心とする同心円状に配置された、複数の輪帯電極を有する。各輪帯電極は、部分電極の一例である。そして複数の輪帯電極により、液晶層１０のうち、制御回路３によって液晶分子が駆動されることで、液晶素子２を透過する光束の位相を変調できる領域であるアクティブ領域全体が覆われる。

図３の上側において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。曲線３００は、光軸ＯＡを通る面における、透明電極１３が液晶層１０に生じさせる電圧分布により液晶素子２が光束に与える理想的な位相分布である位相変調プロファイルを表す（これ以降、曲線３００を位相変調プロファイル３００と表記する）。本実施形態では、互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔になるように、位相変調プロファイル３００を分割することにより、輪帯電極の配置パターンが決定される。互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔となる場合、後述するように、隣接する二つの輪帯電極ごとに、同じ抵抗値を持つ抵抗で接続することで位相変調プロファイル３００を離散的に近似する位相変調プロファイル３１０を与えることができる。

図３の下側には、離散的な位相変調プロファイル３１０に対応する輪帯電極のパターン３２０が示される。なお、図３では、輪帯電極間のギャップは実線で示されている。すなわち、実線で区切られた個々のリングまたは円が、中心から順に、それぞれ、一つの輪帯電極に対応する。

図４は、透明電極１４の配置パターンの一例を示す図である。この例では、透明電極１４は、液晶素子２を含む光学系で生じる５次球面収差を補正するための位相変調量を液晶層１０を透過する光束に与える。そのために、透明電極１４も、光軸ＯＡを中心とする同心円状に配置された、複数の輪帯電極を有する。透明電極１４についても、各輪帯電極は、部分電極の一例である。図４の上側において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は位相変調量を表す。曲線４００は、光軸ＯＡを通る面における、透明電極１４が液晶層１０に生じさせる電圧分布により液晶素子２が光束に与える理想的な位相分布である位相変調プロファイルを表す（これ以降、曲線４００を位相変調プロファイル４００と表記する）。この例でも、互いに隣接する輪帯間での位相差が等間隔になるように、位相変調プロファイル４００を分割することにより、輪帯電極の配置パターンが決定される。

図４の下側には、離散的な位相変調プロファイル４１０に対応する輪帯電極のパターン４２０が示される。図４でも、輪帯電極間のギャップは実線で示されている。すなわち、実線で区切られた個々のリングまたは円が、中心から順に、それぞれ、一つの輪帯電極に対応する。

次に、制御回路３が透明電極１３と透明電極１４の間に印加する電圧の制御方法について説明する。

液晶層１０を透過する光束に、図３に示される位相変調プロファイル３１０または図４に示される位相変調プロファイル４１０に応じた位相分布を与えるために、例えば、互いに隣接する二つの輪帯電極間の電圧の差が同一ステップとなるよう、各輪帯電極に対する印加電圧が決定される。そのために、位相変調プロファイルから、位相変調量が最大となる位置及び最小となる位置に対応する輪帯電極が決定される。そして制御回路３は、最大位相変調量となる印加電圧と最小位相変調量となる印加電圧を、それぞれに対応する輪帯電極に加える。また、各輪帯電極は、上記のように、隣接する輪帯電極と同一の電気抵抗を持つ電極（抵抗子）によって接続される。これにより、抵抗分割により隣接する輪帯電極間の電圧差は、輪帯電極の位置によらずに同一ステップとなる。このように印加電圧を制御することで、各輪帯電極に印加する電圧を独立に制御する際の回路よりも、制御回路３を単純な構成とすることができる。

図５は、一例として、透明電極１３がｎ個の輪帯電極を有する場合の、各輪帯電極と印加される電圧との関係を示す図である。例えば、中心電極を輪帯電極１、最外周の輪帯電極を輪帯電極ｎ、最大電圧を印加する輪帯電極を輪帯電極ｍとする。

図５では、３レベル駆動の場合に制御回路３が電圧を印加する輪帯電極が示される。この例では、中心の１番目の輪帯電極に電圧V1が印加され、ｍ番目の輪帯電極に電圧V2が印加され、最外周のｎ番目の輪帯電極に電圧V3が印加される。この場合、１番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極の間に位置するｋ番目の輪帯電極に印加される電圧は、ｋ番目の輪帯電極と１番目の輪帯電極間の抵抗値の合計R1と、１番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極間の抵抗値の合計R2の比(R1/R2)を、(V2-V1)に乗じた値をV1に加算した値となる。同様に、ｎ番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極の間に位置するｌ番目の輪帯電極に印加される電圧は、ｌ番目の輪帯電極とｎ番目の輪帯電極間の抵抗値の合計R3と、ｎ番目の輪帯電極とｍ番目の輪帯電極間の抵抗値の合計R4の比(R3/R4)を、(V3-V2)に乗じた値をV3に加算した値となる。
なお、透明電極１４が有する各輪帯電極に印加される電圧も、上記と同様に制御される。

図６（ａ）は、各透明電極から液晶層に印加される電圧の分布の一例を示す図である。図６（ａ）において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は電圧を表す。折れ線６０１は、仮に、透明電極１４全体の電位が同一であり、かつ、電圧と位相変調量の関係は線形であるとした場合における、液晶層１０に与えられる電圧分布を表す。この電圧分布は、専ら透明電極１３の部分電極の配置パターンに応じたものとなり、その配置パターンに応じた位相変調量の分布（例えば、３次球面収差を打ち消す位相変調量の分布）を液晶層１０に生じさせる。なお、折れ線６０１は、図３に示された位相変調プロファイル３１０から定まるものである。

一方、折れ線６０２は、仮に透明電極１３全体の電位が同一であり、かつ、電圧と位相変調量の関係は線形であるとした場合における、液晶層１０に与えられる電圧分布を表す。この電圧分布は、専ら透明電極１４の部分電極の配置パターンに応じたものとなり、その配置パターンに応じた位相変調量の分布（例えば、５次球面収差を打ち消す位相変調量の分布）を液晶層１０に生じさせる。なお、折れ線６０２は、図４に示された位相変調プロファイル４１０から定まるものである。

図６（ｂ）は、図６（ａ）に対応する、各透明電極から液晶層に印加される電圧間の差の分布、すなわち、液晶層に実際に印加される電圧の分布の一例を示す図である。図６（ｂ）において、横軸は光軸ＯＡに直交する面における位置を表す。なお横軸において光軸ＯＡの位置は０で表される。縦軸は電圧差を表す。実際に液晶層１０に印加される電圧の分布は、折れ線６０３で示されるように、光軸ＯＡと直交する面上での位置ごとの、透明電極１３についての折れ線６０１で示された電圧Vaと、透明電極１４についての折れ線６０２で示された電圧Vbとの差ΔV=(Va-Vb)（ただし、Va>Vb）の分布となる。したがって、液晶素子２を効率よく駆動し、かつ、液晶層１０を透過する光束に所望の位相分布を与えるには、折れ線６０３で示される電圧差ΔVの最小値から最大値の範囲が、印加電圧の変化と液晶層１０を透過する光束に与えられるリタデーションの変化の関係が略線形となり、かつ、印加電圧の変化に応じてリタデーションの変化が急峻とする印加電圧の範囲と重なっていることが好ましい。

図７は、液晶層１０の印加電圧とリタデーションの関係の一例を示す図である。図７において横軸は印加電圧を表し、縦軸はリタデーション、すなわち、液晶層１０を透過する光束において、液晶分子１５の長軸方向と平行な偏光成分と液晶分子１５の長軸方向と直交する偏光成分間の光路長差を表す。そして曲線７００は、液晶素子２の液晶層１０についての印加電圧とリタデーションの関係を表す。なお、印加電圧とリタデーションの関係は、液晶層１０の厚さ、液晶層１０内に印加される液晶分子１５の構造などによって変化する。

本実施形態では、印加電圧の差ΔVの最小値Vminが、最大変化電圧７１０よりも低く、かつ、印加電圧の差ΔVの最大値Vmaxが、最大変化電圧７１０よりも高くなるように、輪帯電極１３及び１４に印加される電圧が設定される。さらに、印加電圧の差ΔVの最小値Vminが、印加電圧の変化に対するリタデーションの変化の関係が線形とみなせ、かつ、最大変化電圧７１０を含む印加電圧の範囲の下限値７１１となり、かつ、印加電圧の差ΔVの最大値Vmaxが、印加電圧の変化に対するリタデーションの変化の関係が略線形となる印加電圧の範囲の上限値７１２となるように、輪帯電極１３及び１４に印加される電圧が設定されることが好ましい。そして制御回路３は、そのように設定された電圧を透明電極１３と透明電極１４とに印加することで、液晶層１０に曲線６０３で示されるような印加電圧の分布を生じさせる。これにより、制御回路３は、液晶素子２を効率よく駆動し、かつ、液晶層１０を透過する光束に所望の位相分布を与えることができる。例えば、制御回路３は、印加電圧の差ΔVの最小値Vminに対応する透明電極１３の輪帯電極と、最大値Vmaxに対応する透明電極１３の輪帯電極を特定する。そして制御回路３は、特定された輪帯電極と、透明電極１３の各輪帯電極のうちの最大電圧が印加される輪帯電極間の電圧差、及び、特定された輪帯電極と、透明電極１３の各輪帯電極のうちの最小電圧が印加される輪帯電極間の電圧差に基づいて、その最大電圧及び最小電圧を決定できる。同様に、制御回路３は、透明電極１４に対しても、各輪帯電極に印加する電圧のうちの最大電圧及び最小電圧を決定できる。これにより、制御回路３は、各透明電極について、各輪帯電極に印加する電圧を決定できる。

なお、印加電圧の変化に対するリタデーションの変化の関係が線形とみなせる印加電圧の範囲は、例えば、印加電圧の変化に対するリタデーションの変化を１次式で近似した場合における、その１次式でのリタデーションと実際のリタデーションとの誤差が許容範囲内となる印加電圧の範囲とすることができる。なお、誤差の許容範囲は、液晶光学デバイス１が利用される用途に応じて設定される。例えば、誤差の許容範囲は、波面収差の評価値として知られるマレシャル評価基準（Marechal criterion）の許容量である、ストレール比0.8以上となる条件として、印加電圧の変化に対するリタデーションの変化の１次近似式の誤差のRMS値が0.07λ以下となる印加電圧の範囲に設定される。

なお、リタデーションは、液晶層１０に入射する光の波長に依存する。そして液晶光学デバイス１が利用される装置によっては、波長の異なる複数の光源を利用できることがある。そこで、制御回路３は、使用される可能性が有る波長に応じて、透明電極１３と透明電極１４との間に印加する電圧を変えることで、液晶層１０を透過する光束の波長によらずに、その光束に所望の位相変調分布を与えることができる。

以上に説明してきたように、この液晶光学デバイスでは、液晶層の一方の面に設けられた透明電極が液晶層に与える印加電圧の分布と液晶層の他方の面に設けられた透明電極が液晶層に与える印加電圧の分布との差において、電圧差の最小値が最大変化電圧よりも低く、かつ、電圧差の最大値が最大変化電圧よりも高くなるように、二つの透明電極間に電圧が印加される。そのため、この液晶光学デバイスは、液晶素子を効率よく駆動することができる印加電圧の範囲で液晶素子を駆動することができ、かつ、液晶層を透過する光束に所望の位相分布を与えることができる。

なお、変形例によれば、透明電極１３が有する部分電極の配置パターンは、３次球面収差に対応するものに限られず、例えば、コマ収差といった、軸外収差を補正するための配置パターンとなっていてもよい。同様に、透明電極１４が有する部分電極の配置パターンも、５次球面収差に対応するものに限られない。また、透明電極１３が有する部分電極の配置パターンと、透明電極１４が有する部分電極の配置パターンとは同一であってもよい。この場合でも、各輪帯電極が液晶層に与える電圧分布間の差における、電圧差の最小値と電圧差の最大値とが、上記の実施形態と同様に設定されればよい。

図８は、本発明の一つの実施形態または変形例による液晶光学デバイスを備えたレーザー顕微鏡１００の概略構成図である。コヒーレント光源であるレーザー光源１０１から出射したレーザー光束は、コリメート光学系１０２により平行光に調整され、その平行光は、上記の実施形態または変形例による液晶光学デバイス１０３を透過した後、対物レンズ１０４によって試料１０５上に集光される。試料１０５により反射または散乱した光束もしくは試料により発生した蛍光等、試料の情報を含んだ光束は、光路を逆にたどり、ビームスプリッター１０６で反射され、第２の光学系であるコンフォーカル光学系１０７で再び共焦点ピンホール１０８上に集光される。そして、共焦点ピンホール１０８が、試料の焦点位置以外からの光束をカットするので、検出器１０９でSN比の良好な信号が得られる。なお、レーザー光源１０１は、放射するレーザーの波長が異なる複数のレーザー光源を有していてもよい。

ここで、対物レンズ１０４を含む、レーザー光源１０１から光束の集光位置までの光学系により発生する波面収差を見積もり、その波面収差をキャンセルするような位相分布を、液晶光学デバイス１０３が有する液晶層の両側に設けられる二つの透明電極の部分電極の配置パターンで表される二つの位相変調プロファイルの合成として液晶光学デバイス１０３に表示することで、このレーザー顕微鏡１００は、結像性能を向上させる。

また、以上説明してきた実施形態では、本発明の液晶光学デバイスをレーザー顕微鏡などの光学系の収差補正に用いる例を示したが、本発明は、これらの実施例に限られるものではない。例えば、本発明の液晶光学デバイスは、光軸対称な屈折率分布レンズとして用いられてもよい。

以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１液晶光学デバイス
２液晶素子
３制御回路
１０液晶層
１１、１２透明基板
１３、１４透明電極
１５液晶分子
１６シール部材
１００レーザー顕微鏡
１０１レーザー光源
１０２コリメート光学系
１０３位相変調デバイス
１０４対物レンズ
１０５試料
１０６ビームスプリッター
１０７コンフォーカル光学系
１０８共焦点ピンホール
１０９検出器

Claims

液晶素子と、前記液晶素子に印加する電圧を制御する制御回路とを有する液晶光学デバイスであって、
前記液晶素子は、
所定の方向に配向された液晶分子が封入された液晶層と、
前記液晶層の一方の面に設けられ、複数の部分電極を有する第１の透明電極と、
前記液晶層の他方の面に設けられ、複数の部分電極を有する第２の透明電極とを有し、
前記制御回路は、
前記第１の透明電極が有する前記複数の部分電極に電圧を印加することで前記液晶層に生じる第１の電圧分布と、前記第２の透明電極が有する前記複数の部分電極に電圧を印加することで前記液晶層に生じる第２の電圧分布とにおける、電圧差の最小値が、前記液晶層への印加電圧の変化に対する前記液晶層を透過する光束に与えられるリタデーションの変化が最大となる第１の印加電圧よりも低くなり、かつ、前記第１の電圧分布と前記第２の電圧分布とにおける、電圧差の最大値が、前記第１の印加電圧よりも高くなるように、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極間に電圧を印加する、
ことを特徴とする液晶光学デバイス。
前記制御回路は、前記電圧差の最小値が、前記液晶層への印加電圧の変化に対する前記液晶層を透過する光束に与えられるリタデーションの変化の関係が線形とみなせる印加電圧の範囲の下限値となり、かつ、前記電圧差の最大値が、前記印加電圧の範囲の上限値となるように、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極間に電圧を印加する、請求項１に記載の液晶光学デバイス。