マルチ波長液晶可変リターダー/可変波長板

動作原理

Figure 1.1  これらのネマティック相に、光学異方性を生み出す長細い分子形状をした液晶分子が規則正しく配列されています。 電界がかかると、分子は電界に対応した向きに配向し、液晶分子の傾きが複屈折のレベルを決定します。

特長

• 偏光状態を連続的に制御する可変波長板
• リターダンス範囲
  • LCC1115-A: 約60 nm～6λ以上
  • LCC1115-B および LCC1115-C: 約400 nm～6λ以上
• 開口: Ø10 mm
• 3種類の反射防止(AR)コーティングでご用意
  • LCC1115-A: 350～700 nm
  • LCC1115-B: 650～1050 nm
  • LCC1115-C: 1050～1700 nm
• 表面品質: スクラッチ&ディグ40-20
• リターダンスの均一性: 開口部全体に渡って＜λ/50

このマルチ波長液晶可変リターダ(LCVR)は、ネマチック液晶セルを可変波長板として利用しています。 可動部品がないので、ミリ秒単位の高速切り替え時間が実現できます(詳細については「切り替え時間」タブをご参照ください)。 このマルチ波長リターダは350～700 nm、650～1050 nm、1050～1700 nm用ARコーティング付きで、最大6λ以上のリターダンスを発生させることができます(透過率ならびにリターダンスのデータについては「性能」タブをご覧ください)。LCC1115-Aは厚さ30 μm、LCC1115-BおよびLCC1115-Cは厚さ50 μmの液晶セルスペーサにより、リターダは最大のリターダンス値に到達します。リターダの開口部はØ10 mm、外径は25.4 mm(1インチ)あり、厚さ8 mmの光学素子に対応する全てのØ25.4 mm(Ø1インチ)マウントに取り付け可能です。 筐体前面にある白い刻印線はスロー軸を記しています。

性能
これらの液晶可変リターダは均一性に優れ、光学ロスや波面歪も小さい製品です。また、高速切り替え、広い動作温度範囲、広帯域な動作波長範囲といった特長もあります。詳細については「仕様」、「性能」ならびに「切り替え時間」のタブをご覧ください。

動作
図1の通り、液晶可変リターダは液晶(LC)分子溶液で満たされた透明なセルから構成されており、可変波長板として機能します。電圧が印加されていない時は、液晶分子の向きは配向膜により決まります。配向膜は有機ポリイミド(PI)膜でできており、その分子は製造時にラビング方向に揃えられます。液晶リターダは、液晶材料の複屈折性により光学異方性のある波長板として機能し、そのスロー軸(筐体に刻印)はリターダの表面に対して平行になります。セル壁の2つの平行面には、セル全体にわたって電圧を印加するための透明導電膜がコーティングされています。交流電圧を印加すると、液晶分子は印加されたV_rms値によりデフォルトの向きから再配向します。

コントローラ
液晶コントローラLCC25、LCC25DとKLC101は、AC電圧(0～25 V_rms)を印加しながら、アクティブにDCオフセットを補償します。DCオフセット補償機能によって、LCデバイス全体のDCバイアス状態を自動的にゼロに調整し、電荷の蓄積が生じないようにしています。

Table 3.1  Variable Full-Wave Retarder Performance Graphs
Item #	Wavelength Range	Retardance @ 25 °C	Retardance vs. Temperature	Transmission
LCC1115-A	350 - 700 nm		(635 nm)
LCC1115-B	650 - 1050 nm		(780 nm)
LCC1115-C	1050 - 1700 nm		(1550 nm)

液晶リターダの性能

これらのネマティック相では液晶分子の向きが揃っており、その長く伸びた分子形状と相まって光学異方性を生み出します。電界がかかると分子は電界方向に配向し、有効なリターダンスの大きさは液晶分子の傾きによって決定されます。材料内のイオンの影響を最小限にするために、液晶デバイスは交流電圧で駆動しなければなりません。コントローラLCC25、LCC25D、KLC101は、0 V～25 Vの動作電圧範囲において、駆動信号のDCバイアスを可能な限り小さくするように設計されています。

液晶材料では、分子分極率の変化によって短波長での色分散は大きくなり、長波長での色分散は比較的小さくなります。これを説明するために、Table 3.1では各製品の波長範囲において、1つもしくは2つの波長でのリターダンスデータを提示しています。　

また、液晶のリターダンスはデバイスの温度にも影響されます。温度が上昇するとリターダンスが減少します。しかし、「切り替え時間」のタブで示されているように、液晶の切り替え時間は温度が上昇するにつれて高速化します。通常、液晶の透明温度に近づくと、液晶の屈折率(常光線と異常光線の両方)は著しく大きく変化します。よって、例えば、室温で使用する時は温度依存性を最小にするために、高い透明温度を持つ材料を選びます。

リターダンスデータはこちらからダウンロードいただけます。
透過率データはこちらからダウンロードいただけます。

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Figure 3.2  グラフは154週にわたるリターダンスの変化を示しています。

長期安定性

当社の液晶リターダは、長期間使用しても一定の性能を維持します。Figure 3.2は、液晶コントローラLCC25で駆動した1枚の3/4波長板LCC1112-A(旧製品)の154週にわたるリターダンスの電圧特性を示しています。リターダンスの試験は週に1回行われましたが、試験期間内の経時的な変化は僅かだったことが分かります。試験期間内の週毎のすべてのデータファイルは下記リンクよりダウンロードいただけます。

Figure 3.3は一定の電圧をかけた状態でのリターダンスの変化は僅かだったことを、またFigure 3.4は一定のリターダンスを得るために必要な電圧の変化が僅かだったことを示しています。ほかのリターダのモデルも同程度の性能が期待できます。リターダの長期安定性を最も良くするには、コントローラLCC25、LCC25DまたはKLC101を常時使用することをお勧めいたします。このコントローラは特にDCオフセットを低減するように設計されており、それにより電荷の蓄積が最小化されるとともに安定性が向上します。

長期的な性能データはこちらからダウンロードいただけます。

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Figure 3.4  λ/2のリターダンスを保持するために必要とされた電圧変化 (154週間)

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Figure 3.3  一定の電圧で動作させたときのリターダンスの変化(154週間)

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Figure 4.1  切り替え時間はリターダンスの小さな変化で減少します。

LCリターダの切り替え時間

液晶リターダは、可動部品のある機械的な可変波長板と異なり、切り替え時間が高速です。液晶リターダの切り替え時間は、様々な要因で変化しますが、代表的には、製造工程で管理される要因と使用環境による要因があります。

一般的に、液晶リターダでは、複屈折値が高い値から低い値に変化する時に、切り替えが速くなります。さらに、動作温度が高ければ高いほど、液晶の粘性が減少するので、リターダのステータスの切り替えは速くなります。

また、電圧が高くなるにつれて、切り替え時間は必ず速くなります。Figure 4.1は、異なる電圧間での切り替え時の例を示しています。切り替え時間を速くするには、この可変リターダを高い電圧で使用できるように、固定波長板と共にお使いいただくことを推奨いたします。

また材料の粘度と切り替え時間が液晶材料の温度に依存することから、Table 4.2、4.3、4.4で見られるように、LCリターダを加熱すると、切り替え時間が最大で1/2に短縮さ れます。当社の標準的なLCリターダは、最高温度45 °Cでも動作するように設計されており、この温度においてもリターダンスの仕様値は維持できます。 さらなる高速化が必要な場合、リターダは70°Cまで動作しますが、この温度ではリターダンスの最大値は低くなります。

切り替え時間は温度条件以外にも、LCリターダの厚さ、液晶材料の回転粘度および誘電異方性と直接的な比例関係にありますが、これらの条件は、他の動作パラメータにも影響を与えるので、このLCリターダは、切り替え時間に特別に重点をおいて、全体的な性能が最適化されるように設計されています。 当社では、さらに切り替え時間の速いLCリターダに加えて、他の動作パラメータに重点を置いて設計した特注のLCリターダもご提供しています。詳細は当社までお問い合わせください。

異なる温度での切り替え時間の例

切り替え時間は、電圧が V₁ ～V₂に変化した時の立ち上がり時間と、V₂ ～V₁へ変化したときの立ち下がり時間を測定しています。この時、液晶リターダは特定の温度になっています。V₁の値は全ての試験で固定されており、LCリターダのリターダンスが1 λの際の制御電圧です。V₂は、リターダンスのターゲット値における電圧です。なお、低電圧(例えば、V₁=5 V)時の切り替え時間は、Table 4.2、4.3、4.4の切り替え時間より長くなってしまいます。

アライメント

液晶リターダのスロー軸(異常軸)は、電圧が印加されていない時の液晶分子の長軸方向と一致しています(Figure 5.1)。電圧を印加すると、液晶分子の方向が回転してリターダンスが変化します。当社のLCリターダは、ネマチック液晶を利用したデバイスであるため、イオンや自由電荷の蓄積を防ぐためにAC駆動をしないと、性能が低下しデバイスが焼損する場合もあります。

液晶セルの軸にしっかりとアライメントするために、リターダは回転マウントに取り付けます(例えば、開口がØ10 mmのリターダ用にRSP1/MまたはCRM1P/M、開口がØ20 mmのリターダ用にRSP2/MまたはLCRM2A/Mがあります)。 ディテクタやパワーメータを組み立てて、直交する1対の直線偏光子を透過するビームの透過率をモニタしてください。 次に、一方の偏光子のスロー軸をもう一方の偏光子の透過軸にアライメントした状態で2つの偏光子を直交させ、その間に液晶リターダを配置してください。 その後、透過光強度が最小となるようにゆっくりと回転させてください。 この構成では、液晶リターダを位相変調の用途にお使いいただけます。

光強度変調やシャッタとしてお使いいただく場合にも、上記のように透過光強度が最小となるよう回転させてください。 最小値が見つかった後、リターダを±45°回転させます。 これによって、交差した偏光子を透過後の強度は、多くの液晶リターダ(ゼロオーダ1/4波長板や1/2波長板など)において最大になります。 しかし、広帯域光源を使用するマルチ波長位相リターダではリターダンスの波長依存性があるため、これは厳密には当てはまりません。

用途

液晶可変リターダでの偏光制御
液晶可変リターダ(LCVR)は、広い波長範囲にわたりゼロオーダ可変波長板としてお使いいただけます。LCVRの光軸は、セルに電圧が印加されていない状態での、液晶の主軸と一致しています。このとき液晶分子は、液晶の配向膜によって決定される配列となっています。 LCVRを用いて光の偏光を制御する場合、光学素子の偏光角度ダイナミックレンジを最大にするため、入射光の偏光軸をリターダの光軸に対して45°傾けて入射する必要があります。Figure 5.2は、リターダンスが小さくなる(rms電圧が増加する)につれ、出力光の偏光状態が変化する様子を示しています。

Figure 5.2  リターダンスの減少に伴う出射光の偏光状態の変化

液晶可変リターダによる純粋な位相遅延
入射光の位相だけを変化させる場合には、直線偏光した入射光の偏光軸を、液晶リターダの光軸に合わせてアライメントする必要があります。 印加電圧V _rmsが大きくなると、ビームの位相オフセットが減少します。 この位相リターダは、干渉計の1つのアームの中に配置し、光路長を調整するときに使われます。 このように、LCVRではアクティブな位相調整が可能です。

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Figure 6.1  液晶リターダの封止

カスタム液晶の製造

当社では、標準品としてλ/2波長可変の温度制御モデルや、Ø10 mmまたはØ20 mmの開口のλ/2、3λ/4、全波長、マルチ波長可変など、さまざまな液晶リターダをご用意しています。標準品のほか、組み込み用途(OEM用途)向けや特注にも対応いたします。リターダンス範囲、コーティング、研磨角、温度安定化、サイズなど、多様な光学設計に対応するカスタマイズが可能です。 空の液晶セル、偏光ローテータ、ノイズ減衰器のような、その他のカスタム液晶デバイスもご提供できます。 カスタム液晶デバイスのご注文については、当社までお問い合わせください。

カスタム製品の場合、お客様から詳細をおうかがいし、仕様や特性を設計します。 その上で設計と実現性の両方を解析することによって、カスタム製品を高い水準の品質を保ちながらタイムリに製造いたします。

ポリイミド(PI)コーティングと研磨 - カスタムアライメント角
これらのネマティック相では、液晶分子は平均的な方向に配列されています。この長細い分子形状が、光学異方性、もしくは方向依存の光学効果を発生させます。 電圧が印可されていない時の液晶セル内の液晶分子の方向は、配向膜により決まります。配向膜は、ポリイミド(PI)コーティングと研磨角で作られます。 摩擦により溝を形成し、液晶分子を溝に沿って配向させます。 摩擦角を決めることで、液晶分子の初期の方向をどのような方向にすることもできます。

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Figure 6.2  ケース無しのカスタム液晶セ

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Figure 6.3  真空チャンバ内でのカスタム液晶の注入

カスタムセル間隔<
液晶セル内の壁の間隔は液晶材料の厚さによって決められ、製造工程中にカスタマイズすることができます。 液晶セルのリターダンス角は、液晶材料の厚さによって決まります。

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Figure 6.4  カスタム液晶セルの試験

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Figure 6.5  カスタム液晶セルの試験結果

ここで、δは波のリターダンス、dは液晶材料の厚さ、λ_νは光の波長、Δnは使用される液晶材料の複屈折です。 したがって、与えられた波長でのリターダンスは、液晶セル内の壁の間隔によって決定されます(例えば、液晶層の厚さ)。 標準的なリターダンス範囲は、 30 nm〜λ/2、30 nm〜3λ/4、30 nm〜λですが、更に広いリターダンス範囲もご注文いただけます。

カスタム液晶材料
お客様にご提供いただいた液晶材料を、当社で液晶セルに詰めることも可能です。 異なる液晶材料は、異なる複屈折値を持っているので、材料を変更することでリターダンス角を変えることができます。

温度制御/切り替え時間
温度センサを液晶可変リターダに組み込むことも可能です。 温度コントローラを用いることで、リターダの温度を±0.1 °Cの範囲内でアクティブに安定化することができます。温度が高いほど液晶材料の粘度が減少するので、リターダが1つの状態から他の状態へ切り替わる速度は速くなります。 アクティブな温度制御システムをリターダの加熱に使うことで、より速いスイッチング速度でリターダを駆動することができます。

アセンブリ/筐体
必要に応じて、筐体のないカスタム液晶リターダを製造することも可能です。

試験
Figure 6.4に示す測定セットアップを使用することで、それぞれの液晶リターダの複屈折、均一性、高速軸の角度が測定されます。 この装置では、波長板とCCDカメラを用いて2次元の複屈折分布を測定します。 Figure 6.5は液晶リターダの試験結果のサンプルですが、優れた均一性を示しています。

詳細情報
カスタム液晶デバイスについてや、ご注文については当社までお問い合わせください。