JPS6024925B2

JPS6024925B2 - 光学的フイルタ

Info

Publication number: JPS6024925B2
Application number: JP53152772A
Authority: JP
Inventors: ダグラス・エイ・ピンナウ; リチヤ−ド・エル・アブラムス; ジエ−ムス・エフ・ロツツピ−チ
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-12
Publication date: 1985-06-15
Also published as: JPS5492766A; US4197008A; DE2855008A1; GB2011641B; DE2855008B2; GB2011641A; NL7812565A; FR2413675A1; DE2855008C3; FR2413675B1

Description

【発明の詳細な説明】この発明は光学的フィル夕、特に電気光学効果を利用し
、透過特性を電子技術的に広い範囲に亘つてプログラム
制御できる光学的フィル夕に関する。

この種の光学的フィル夕は米国の光学学会誌（Ｊｏ川雌
ｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡ
ｍｅｒｉｃａ）の第５３蓋、第６号（１９６５年６月）
、６２１〜６２５ページに“複屈折チェーンフィル夕”
という題名でイワンソルク（ｌｖａｎＳｏｌｃ）氏によ
り発表されている。

このフィル夕では、光ビームの進行方向に複数個の複屈
折板が配置され、その両側には透過光の偏り方向が互に
直角な偏光子が設けられている。この場合上記複数個の
屈折板の光軸が、入力側偏光子、すなわち光を初めに投
射される偏光子の偏り方向すなわち偏光方向に対し、一
方向および反対方向に比較的小さな同じ角度だけずれた
方向まで交互に回転するように形成されている。入射光
のうち狭い波長帯すなわちバンド中に属する部分がフィ
ル夕を通して導かれ、透過光に対し各複屈折板は半波長
板又は半波長の奇数倍の波長板の作用をなす。上記ソル
ク氏によって開示されてたフィル夕では、上記波長帯に
属する波長は複屈折板の厚さと、該複屈折板を形成する
材料の複屈折特性によって定まるので、該波長は特定の
値に制限される。また電子技術的に特性を調節すること
ができる光学的フィル夕は米国特許３６７９２８８によ
って開示され、また１９６ｇ王６月、上記米国の光学学
会誌の第５９萱、第６号、７４４〜７４７ページに、“
音響光学技術により調節可能なフィル夕”という題名で
発表され、更に１９６９年１１月１５日、“応用光学レ
ター”（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ侭ｉｃｓＬｅｔｔｅＲ）誌
の第１５巻、第１び号、３２５〜３２６ページに“電子
技術的調節可能な音響光学フィル夕”という題名で、ま
た１９７位王９月１日に上記“応用光学レター”誌の第
１７巻、第５号、２２３〜２２５ページに、“ＣａＭｏ
０４を用いた電子技術的に調節可能な光学的フィル夕”
という題名で発表されている。

このような形式のフィル夕では、一方向に偏った偏光は
、偏り方向が互に直角をなすように配置された１対の偏
光子の間に設けられ、結晶内で発生された音波と同一直
線上に設けられた複屈折結晶を透過することにより回折
され、互に直角方向に向いた偏光波を生ずる。上記回折
は光周波数の狭いバンド中に対して発生し、このとき入
射光線と音波のモメンタムベクトルの合計は射出される
光波のモメンタムベクトルと同じ値を有している。音響
周波数を変更すれば、最も有効に上記直角方向の偏光波
を生ずるように回折される光周波数が変化し、従ってフ
ィル夕を透過する波長帯すなわちパスバンドが変化する
。上記の音響光学フィル夕は進行する音波を必要とする
が、この音波は結晶を通って１回伝播すると消失するの
で、必要に応じて連続的に新しい音波を発生させねばな
らず、このためにこの種のフィル夕では大量のェネルギ
消費が避けられない。

またこの種のフィル夕では更に、電気信号を音波に変換
する電気・音響トランスジューサが必要である。しかし
該トランスジュ−サは周波数応答性に制限があるので、
光学的の調節範囲に対するバンド中の制限を生ずるとと
もに、上記トランスジューサが基本周波数のハーモニッ
クスで駆動される場合、フーリエ級数の高周波に相当す
る部分に於て極めて大きい音響吸収作用を生ずることと
なる。上記フィル夕の他のフィル夕の例は多層干渉フィ
ル夕（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｉｎｔｅｈｅｒｅｎｃｅ
ｆｉｌｔｅｒ）である。

このフィル夕は高低両屈折率を有する材料の層を交互に
重ねたものである。このようなフィル夕を横切って雷場
が加えられると、電気光学効果によって、上記材料の層
に屈折率の変化を生じ、その結果談フィル夕を通る光波
の光路が変り、よってフィル夕の透過周波数帯城すなわ
ちパスバソドが変化する。この形式の光学的フィル夕は
、光学的シャツタ素子として米国特許２９６０９１４お
よび３１６４６６５に、ともに“電気光学的光シャツ夕
”という名称で開示されている。しかし上記多層干渉式
の光学的フィル夕に通常使用する程度の電圧をかけた場
合に得られる屈折率の変化、従ってパスバンドの偏位は
４・さなもので、上記特許に開示された光シャツ夕の用
途は狭いものであった。又更に、上述のフィル夕では、
多くのパスバンドや単一のパスバンドを可変バンド中に
なるように電気的にプログラム制御することは困難であ
るという不便さもあった。電気光学効果は、時間的に変
化する変調電圧を電気光学効果を有する結晶に印加して
その屈折率を変化させ、よって光変調を発生させるのに
も使用される。

この種の装置は、“光変調装置”という名称で、米国特
許４０５４３６２に開示されている。この特許は装置を
制御されたフィル夕として使用する場合を示しているが
、このようなフィル夕を電子技術的に調節することは不
可能である。すなわち該フィル夕の透過又は遮断波長は
電気信号を供給することによって変化することはできな
い。この発明の目的は、広いパスバンドにわたって電子
的に調節可能であり、音響光学的調節を行なう光学的フ
ィル夕に比べて、パワー消費が少し、電子光学的に調節
可能な光学フィル夕を提供することにある。またこの発
明の目的は透過特性を著しく広い範囲に電子技術的に変
化させるようにプログラム制御可能であり、かつ多方面
に使用できる、電子技術的に調節可能な光学的フィル夕
を提供することにある。

上記目的を達成させるために、この発明の光学的フィル
夕には、所定の方向に延びる光路に沿って相互間に間隔
をおいて偏り方向が所定の角度をなして配置され、炉波
される光線を受ける第１の偏光子と、炉波された光線を
送出する第２の偏光子と；上記両偏光子の間に、上記光
路に沿って、光軸を該光路とほぼ直角に向けて配置され
、印加される直流電場に対応して該光軸を、上記光路と
ほぼ直角な平面内で電気光学的に回転させる複屈折性の
結晶質部材と：複数個の波長を含む入射光線を上記光路
に沿って第１の偏光子を介して上記結晶質部材に導く手
段と：上記結晶質部材の上記光路に沿って順次定められ
た複数個の領域に、第１の偏光子から送られた偏光を受
ける１端からの距離の関数として定められた直流電場を
印加する手段、が設けられる。

上記構成を有する光学的フィル夕に於て、上記距離に対
応して直流電場を定める上記関数を目的に適合するよう
に選定して印加することにより、上記領域の光鼠を第１
の偏光子の偏り方向とほぼ平行な方向から、上記光路と
ほぼ直角な平面内で、上記直流電場によって定まる方向
と角度に従って電気光学的に回転させ、上記のように光
軸を回転させることにより、第１の偏光子を介して送ら
れた光線の偏り方向を、該光線が上記領域を通過するご
とに、電気光学的に回転されている上記光軸に対して対
称な偏り方向に移動させ、上記のように偏り方向を光軸
に対して移動させることにより、第１偏光子を介して上
記結晶質部村に送られた光線の偏り方向を、該方向の両
側に振動的に回転させて、結晶質部材の他端から上記第
２の偏光子に向って送出し、第１の偏光子に対する入射
光線に含まれる多数の波長を有する光線のうち、少くと
も１部は第２の偏光子を通過させ、その他の波長の光線
のうち少くとも１個は第２の偏光子を通過することを阻
止することができる。

次にこの発明の実施例について説明する。

第１図において、ビーム状の入射光すなわち光ビーム１
０はこの発明の電気光学的に調節可能な光学的フィル夕
に供給される。該入射光１０は適切な光源１２によって
発生される。光源１２はしーザのように狭いバンド中を
有するコヒーレントな光源、又はグロー放電灯、白熱電
灯等のような広バ「ンド中を有するインコヒーレントな
光源などでよい。光源１２から送出された光は可視光線
でも、紫外線や赤外線でもよく、また上記光線が混じた
ものでもよい。光源１２が多方向に光を放射するもので
あるときは、所望によりコリメ−ト用の反射装置やレン
ズが用いられ、フィル夕に入射される光がより多く集中
されるようにする。この発明のフィル夕では入射光１０
は第１の偏光子すなわち入射偏光子１４を適して供給さ
れる。

入射偏光子１４は入射光１０を所定の方向に直線偏光さ
せ、後に詳記する電気光学的結晶装置１６および第２の
偏光子すなわち検光子１８に導かれる。検光子１８は入
射偏光子１４によって定められた偏り方向と所定の角度
をなす方向に偏った光を透過させる。上述の作用を記載
するのに必要な座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は第１図に示すご
とくであって、入射光１０‘ま×方向に伝播し、入射偏
光子１４は入射光１０をＹ方向に漏らせ、検光子１８は
Ｚ方向に偏った光を透過させる。このようにして射出光
２川ま所望の光となる。第１図に示すように、入射偏光
子１４と検光子１８は、それぞれ偏り方向が直角を向く
ように配置された場合には、この発明の光学的フィル外
ま談フィル夕を通過した射出光２０が入射光１０の波長
領域から選択された１個の波長又は上記波長領域から選
ばれたある範囲の波長を有する光からなるように働くバ
ンドパスフィルタとして働く。

また入射偏光子１４および検光子１８の偏り方向が平行
になるように配置された場合には、ストップバンドフィ
ル夕が形成される。このストップバンドフィル夕から送
出される射出光２川ま、入射光１０の中から、選択され
た波長の光を除く残りの光を含む。電気光学的結晶装置
１５は複屈折性の結晶質部材と複数個の電極を備えてい
る。

これ等電極には、結晶質部材を通して伝播する光の光路
に沿って、場所によって変化する直流電場を発生するた
めに、プログラム制御可能な電圧が印加される。この場
合、上記電場の場所による変化は、どのような波長の光
をフィル夕を介して透過させるか、また阻止するかに基
づいて定められる。上記複屈折性結晶部材は複数個１組
の結晶から形成されてもよし、また多くの電極から印加
される電圧に応じて作用する一連の電気光学的作用領域
を有する単結晶であってもよい。結晶の種々のタイプや
材質については後に詳記する。第１図の実施例に於ては
、複屈折性の結晶質部材は互に対向する広い、ＹＺ面に
平行な平面を有し、Ｘ方向に順次配置された一連の複屈
折性の結晶板２２から成り、結晶板２２の光髄はすべて
入射偏光子１４を透過した光の偏り方向と平行に向けら
れている。結晶板２２を横切る雷場を形成するために入
射光１０に属するすべての波長の光に対して透明な電極
２４が、各結晶板２２の対向する上記広い表面に取着け
られる。

電極２４の製作に適する材料の例は、白色光又は赤外線
を使用する場合には、インジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）
であるが、その他の材料も使用される。上記一蓮の結晶
板２２は、隣接するもの同志間に施された透明なェポキ
シ層２６によって結合され、１個の積層体に形成される
。この場合の使用に適するェポキシ層は、使用される光
が白色光や赤外線の場合には、ミシガン州のマイクロメ
ジャメント社製のＭボンド６１０である。電気光学的結
晶装置１６の長さ方向の場所によって定められる種々の
直流制御電場を印加するために、第１、第２、第３・・
・第Ｎ番目の結晶板２２に形成された電極２４の間に直
流電源Ｖ，，Ｖ２・・・ＶＮが接続される。電気光学的
に調節可能なこの発明の光学フィル夕（第１図）の作用
を記す前に、この種フィル夕に関する基礎的説明を第２
，３，４図を用いて行なう。

第２図には１個の複屈折性結晶３４を示．す。該結晶に
設けられた電極３０，３２の間には正又は負の電圧Ｖが
印加される。図のＸ，Ｙ，Ｚは、結晶３４の説明を行な
うための座標軸である。結晶３４は光軸３６をＹ軸に平
行に、電極３０，３２をＹＺ面に平行に向けて置かれて
いる。電極３０，３２間にたとえば十Ｖの電圧を供給す
ると、光軸３６はＸ軸のまわりを角度＋Ｑだけ回転して
、３６′に示す新位置に達する。電極３０，３２間に−
Ｖの電圧を印加すると、光軸３６は角度−Ｑだけ回転し
３６″で示した位置に来る。印加電圧Ｖと回転角Ｑは次
の関係にある。Ｖ＝２６ｔ△ｎｔａｎＱ
．・・・・・０｝ｎ費ｎ旨ｒｉｊ上式の比および
ｎｅは、それぞれ結晶３４によつて発生した常光線およ
び異状光源の屈折率、△ｎは結晶の静的複屈折度（ｓ
ｔａｔｉｃｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）すなわち△ｎ
＝〜−ｎｅ、ｎはｎｏとｎｅとの平均値、ｔはＸ軸方向
の結晶３４の厚さ、ｒｉｊは電気光学係数である。

上記角度Ｑは通常極めて小さいので、ｔａｎＱニＱであ
り、この関係を考慮すれば、‘１｝式から上記角度Ｑが
ほぼ印加電圧Ｖに比例することがわかる。第３図には、
一連の複屈折性結晶板３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ
および３４ｅが、偏り方向を交叉して配置した第１、第
２の偏光子、すなわち入射偏光子および検光子４０およ
び４２の間に、Ｘ軸方向に次々に配置された状況を示す
。

上記の偏光子４０，４２は第１図に示した偏光子１４お
よび１８と同様のものである。結晶板３４ａ〜３４ｅそ
れぞれの光軸３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄおよび３
６ｅはすべてＹ軸方向、すなわち第１の偏光子４０の偏
り方向に向けられている。次に結晶板３４ａ〜３４ｅに
、これ等を横切る方向すなわちＸ軸方向に所定の電圧が
それぞれ印加され、各結晶板の光軸３６ａ〜３６ｅが順
次にＹ軸に対して角度＋Ｑ，一Ｑづつ回転しそれぞれ３
６′および３６″の位置を占めたものとし、入射偏光子
４０を透過しＹ軸方向に偏った光がＸ軸方向に投射され
るものとする。結晶板３４ａ〜３６ｅはすべて同じｔ、
同じ△ｎを有し、各結晶板が半波長板として作用する光
の波長入ｏは次式によって定められる。

学（１十洲）＝ｔ△ｎ．・・．・・【２）ここに
Ｍは○又は正の整数である。

周知のように、半波長板への入射光が該半波長板の光軸
に対してある角度偏った偏光であると、半波長板からの
射出光の偏り方向は、上記光磯に対して入射光の偏り方
向と対称となる。式｛２）を満足する波長を有する偏光
が第３図の一連の結晶板すなわちアレーを通る光線の偏
り状況が、第４、第４ａ、第４ｂおよび第４ｃ図に図式
的に画かれている。

第４〜第４ｃ図の矢印４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃは
上記アレーを通る光の偏り方向を表わす。第４図は入射
偏光子４０を透遇した光４４がＹ軸方向に偏っているこ
とを示す。既に説明したように、第１の結晶板３４ａに
制御電圧がかけられ、光軸３６ａは３６ａ′の位置まで
回転されている（第１図）。従って第３図、第４ａ図に
見るように、光４４は偏り方向が上記３６′位置から角
度−Ｑだけずれた状態で結晶板３４ａに入り、該結晶板
から射出されるときは光軸３６′から角度十Ｑだけ回転
した偏き方向を持つものとなっている。第４ａ図からよ
く判るように、第１の結晶板３４ａを透過した光はＹ軸
から角度＋２Ｑだけ偏った偏光４４ａとなる。次の結晶
板３４ｂの光軸は３６″で示された位置、すなわちＹ軸
に対して角度−Ｑだけ回転した方向を向く。

従って光４４ａは、第３図、第４ｂ図に示すように位置
３６″に移った光軸に対して角度＋３Ｑずれた方向に偏
って結晶板３４ｂに入射され、該結晶板３４ｂを出ると
きには、光軸３６″に対して角度−３Ｑだけ回転した偏
光４４ｂとなる。同様にして次に配置された結晶体３４
ｃは第３図、第４図に示すように光軸がＹ軸から角度＋
Ｑだけ回転した３６′位置にあり、光４４ｂは光軸３６
′に対して角度−５Ｑだけずれた方向に偏って結晶板３
４ｃに入射され、該結晶板３４ｃを出るときは、第４ｃ
図に矢印４４ｃで示したように、光軸３６′に対して角
度十５Ｑだけ回転した方向に偏っている。上記説明から
判るように、偏光４４が結晶板３４ａ〜３４ｅを順次透
過するとき、透過光の偏り方向はＹ軸の両側に往復して
回転し、上記回転ごとに偏り角度は２はづつ増加する。

若しアレーに含まれる結晶板の数を、最後の結晶板を出
る光がＺ軸方向に平行に偏光しているように選定すれば
、検光子４２に入射されるすべて光は該検光子４２を透
過する。上述のように偏光４４が各結晶板を通過するご
とに、通過光の偏り方向が角度２Ｑづつ大きくなるので
、使用する結晶板の数Ｎはこの場合次の式｛３｝を満足
するように選ばれる。Ｎ：念．・・．・
・【３１この場合Ｎの数が上記の式｛３’を僅かに満足
しない場合にも、最後に配置された結晶板からＺ軸に平
行な多くの光の成分が送出されて検光子４２に送られ、
検光子４２を透過する。

勿論このフィル夕を通過する光の割合の最大値は、上記
式ｔ３｝が満足された場合ほぼ１００％に近い。また第
３図の結晶板３４ａ〜３４ｅからなるアレーを通る光が
式■を満足せぬような波長を有する場合には、結晶板３
４ａ〜３４ｅはもはや半波長板として作用することなく
、最後に配置された検光子４２から検光子４２を透過す
るような光を射出することはない。

たとえば第３図の結晶板アレ−を透過する光の波長が２
＾。であるときは、各結晶板３４ａ〜３４ｅは４／１波
長板として作用する。この波長の光の偏りは全アレーを
通じてほぼＹ軸に平行であり、副次的に小さな円偏光成
分を伴うだけである。上述の光学的フィル夕のパスバン
ド‘ま次式で定まる波長入に対して入＝Ａ△ｎ
”””（４）で与えられる。

ここに△ｎは前述した静的複屈折の値、ＡはＸ軸方向に
配置された複数個の結晶質部材による光鞠回転のＸ軸方
向の第１の空間周期である。この発明の光学的フィル夕
では、上記結晶板の×軸方向の配置の第２の空間周期Ａ
ｆは、フィル夕を透過させる最小の波長が入ｍｉｎのと
き、式｛４）に対して入肌を用いることにより求められ
る。

光軸の一方および反対方向すなわち正負の回転はともに
上記周期Ａｆの間に行なわれるので、この周期に該当す
るＸ軸方向の距離の中には引続く２枚の結晶板が存在す
ることになる。従って結晶板の数Ｎおよびこの光学的フ
ィル夕の長さＬ（第１図の装置１６の長さ）は次式から
求められる。ＮＡｆ＝２Ｌ
……｛５１上記Ｎの数は、フィル夕に所望のパスバ
ンド中を与え得るように次式によって算出される。△入
−ＫＡ ……【６）入。ＮＡ
ナここに入ｏはフィル夕の透過波長、△入は上記入ｏに
対するパスバンド中、Ｋは上記△入を定めるレベルによ
って決まる比例定数であり、たとえば最大値から＄比下
ったレベルで△入を定めるときはＫ＝１．６とする。

この発明のフィル夕を設計する場合、最小の透過波長入
ｍｉｎに対し式｛４ーから空間周期ハｒが計算された後
、結晶板又は電気光学的作用領域（単結晶を用し、る場
合）微服所望の篭と、式微）ら求められる入ｏに対応す
る第１の空間周期Ａｏを用いて式側から、またＱの値は
式｛３’から求められ、各結晶板の光軸を所望の角度Ｑ
だけ回転させるために電極に印加する制御電圧Ｖは式‘
１｝から計算される。

次に第１図の光学フィル夕の作用を、第５ａ，５ｂおよ
び５ｃ図について説明する。

フィル夕が透過させる光の最小波長入ｍｉｎとする場合
には、電極に印加される制御電圧は、光軸を回転する第
１の空間周期Ａが第２の空間周期Ａｒに一致するように
選ばれる。このような選定は、第１図に示された奇数番
目の電源Ｖ，，Ｖ３，Ｖ５等に同じ値の電圧＋Ｖ＾（こ
の電圧は所望のＱの値に対して式ｍによって定められる
）が供給され、偶数番目の電源Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６等に電
圧−Ｖ＾が印加されることによる。このような電圧印加
法は第５ａ図に明示されている。第５ａ図の横軸は×軸
方向延びる距離軸であり、縦軸は印加電圧軸である。図
のＶ，，Ｖ２・・・Ｖ，４はＸ軸方向に等間隔に並んだ
結晶板のＸ軸方向の位置と、該結晶板に給電する電源Ｖ
，，Ｖ２・・・Ｖ，４の給電電圧を示す。奇数番目の電
源からは電圧＋Ｖ＾が、偶数番目の電源からは電圧−Ｖ
＾が印加されている。ハｒは第２の空間周期を示す。次
に第５ａ図のように構成した電極板と電源を用いて、フ
ィル夕を通過する光の波長を３入ｍｉｎにする場合には
、結晶板に印加する制御電圧は、第１の空間周期ハが３
Ａｆとなるように選ばれる。

各電源Ｖ，，Ｖ２・・・Ｖ．４から供給される電圧分布
４８が第５ｂ図に示されている。第５ｂ図に示すように
、正電圧は初めの３個の結晶板Ｖ，，Ｖ２，Ｖ３に印加
され、負電圧は次の３個の結晶板Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６に印
加され、以下同様に正負の電圧が順次印加される。多く
の結晶板に加えられた電圧は第５ａ図に示すように同じ
大きさを有するものでもよいが、この場合には第５ｂ図
に示すように×軸に対してほぼ正弦波分布をなすのが好
ましい。このように正弦波分布を用いることにより、フ
ィル夕を透過する光に高調波が発生するという不都合を
防止することができる。第５ｂ図の例では、大きさ最大
の制御電圧は、周期３Ａｆの正弦波４８の頂上および谷
底に印加され、その間の結晶板に印加される電圧は、該
結晶板の位置に対応する正弦波に相当する電圧である。
この場合波長３入ｍｉｎの波形分布によって結晶板に電
圧を印加する場合は＾ｍｉｎの波長を有する波形分布の
電圧を印加する場合に比べて同じＸ方向距離に対して光
軸の左右に回転する回数が１′３となる。従って第３図
に画かれているＱの値は３倍となることが要求され、従
って第５ｂ図の例では電源Ｖ２，Ｖ５，Ｖ８，Ｖ，．等
には十３Ｖ〜 −３ＶＡの電圧が印加され、電源Ｖ，，
Ｖ３，Ｖ４，Ｖ６等の中間位置には十３／２Ｖ＾，一３
／２Ｖ＾が印加される。また他の例として第１図のフィ
ル夕が波長１．７５入肌の光を透過させるための制御電
圧分布が第５ｃ図に示されている。この場合には、電源
Ｖ，，Ｖ２，Ｖ３・・・ＶＮから供給される電圧が制御
電圧分布波形曲線５０‘こ示されている。この場合第１
の空間周期Ａ：１．７５Ａｆである。またＦｉｇ弧に説
明した場合と同様の考えから、上記曲線５０の頂上と谷
底の位置に相当する結晶板に供給される電圧の大きさは
１．７５Ｖ＾に選ばれる。以上の説明から、種々の透過
又は遮断特性を有するフィル夕を形成するために、種々
の制御電圧分布を選べることがわかる。

複雑な透過特性のフィルタを得るために、とられた制御
電圧分布の一例が第６ａ図の曲線５２に示されている。
第６ａ図のＡはＸ軸に沿った第１の空間周期を示す。た
とえば波長４入ｍｉｎおよび５入ｍｉｎを中心とする２
個の透過特性を有するフィル夕を形成する場合には、５
２のような制御電圧分布波形曲線がそれぞれ４入ｍｉｎ
および５入ｍｉｎに相当する制御電圧波形曲線の代数和
として求められ、この波形に基づいて定められた制御電
圧が各結晶板に与えられる。該制御電圧は上記曲線で示
された電圧分布波形をＸ軸のＡ〆／２ごとに分割し、区
間Ａ〆／２の中央点の電圧値をとり、この電圧値をその
区間に印加する電圧値とする。この方法は波形全般に及
ぼされる。このようにして実際の制御電圧分布波形曲線
５４（第６ｂ図）が求められる。上述の光学的フィル夕
を複数個の結晶を組合せたものでなく、１個の複屈折性
単結晶を用いて製作することができる。第７図には、こ
の発明の実施例として、交互に高抵抗部と低抵抗部を有
する単結晶を用いた光学的フィル夕が示されている。こ
の実施例に使用されている部材は、第１図の実施例に使
用されている都材と同じか又は同等のものであり、この
ような部材は第１図に示した番号に１００を加えた番号
で示されている。第７図では、長い単結晶１１６が入射
光１１０の光路に沿って配置されている。

結晶１１６は、たとえば液相ェピタキシャル生長法によ
って形成される。図の１２４および１２２はフィル夕の
長さ方向に交互に配置された低抵抗領域および高抵抗領
域である。この単結晶１１６の一例はチオ没食子酸銀（
ＡｇｏａＳ２）であり、低抵抗領域はビスマス又は銀等
適宜の材料をドープすることによって形成され、高抵抗
領域はドープされずに残存した領域である。上記両領域
の比抵抗値は、低抵抗領域１２４ではほぼ１００オーム
・センチ程度であり、高抵抗領域１２２ではほぼ１０′
′オーム・センチ程度である。この場合電源Ｖ，，Ｖ２
，Ｖ３・・・ＶＮから単結晶１１６に印加される電圧は
高抵抗領域１２２を挟む１対の低抵抗領域１２４に印加
され、該高抵抗領域１２２の光軸を、第１〜６図に於て
考察したように回転させる。第８図には他の実施例が示
されている。

この実施例にも、１個の複屈折性を有する単結晶が用い
られる。図示された諸部材は、第１図の場合と同じか又
は同等のものであり、これらの部材には第１図の番号に
２００を加えた番号で示されている。第８図の実施例で
は、複数個のＺ軸方向に平行な電極ストリップ２２４が
、結晶２１６のＸＺ平面に平行な広い上表面２２５に、
×軸方向に間隔をおきＺ軸に平行に設けられている。結
晶２１６を形成する材料の１例はチオ没食子酸銀であり
、電極ストリップ２２４の例はアルミニウム又は金であ
る。制御電圧は電源Ｖ，，Ｖ２・・・ＶＮから供給され
、引続く１対の電極ストリップ２２４の間に印加される
。従ってＸ軸に沿って配置された結晶２１６の複数個の
中間領域のそれぞれに於て、光軸の所望の回転が達成さ
れる。更に結晶２１６を有効に利用するために、上記電
極ストリップ２２４と同じ電極ストリップ（図示せず）
から成る第２のアレーが、結晶２１６の上表面２２５と
対向する下表面上に設られている。両表面に設けられた
電極ストリップ２２４には、同じ大きさと犠牲の制御電
圧が上表面と同じ分布状態で印加される。上述の実施例
では、光軸を回転させる霧場は、光の進行方向すなわち
Ｘ軸方向に印加される。しかし第９図に示した実施例で
は、上記の場合とは違い、Ｘ軸と角度をなす方向に亀場
が印加される。第９図に示した部材のうち第１図と同じ
又は対応する都材は、第１図の部村の番号に３００を加
えて示されている。この場合には第１図の場合とクラス
の相違する結晶が用いられる。第９図の実施例に用いら
れる結晶の代表的な例はタンタル酸リチウム（ＬＩＴａ
０３）および硫化カドミウム（ＣｄＳ）である。これ等
の結晶を使用する場合には、光軸は第９図の座標系のＺ
軸に平行に、したがって入力偏光子３１４の偏り方向に
直角に配置されている。第９図の実施例に於ても、結晶
３１６のＸＺ平面と平行な表面に、それぞれ間隔をおい
て対向して配置された電極ストリップ３２４ａおよび３
２４ｂからなる第１および第２の電極ストリップアレー
が設けられている。上記電極ストリップ３２４ａと３２
４ｂはＹ軸方向に整列しており、電源Ｖ，，Ｖ２，Ｖ３
・・・ＶＮから供給される制御電圧は、対向する１対の
電極ストリップ３２４ａおよび３２４ｂ間に印加される
。したがって、一連の電極ストリップ３２４ａ，３２４
ｂの間に有り、Ｘ軸方向に続いて配置された結晶３１６
の電気光学的作用領域内では光軸の所望の回転が行なわ
れる。第９図に実施例によって形成され、電気光学的に
働くこの発明の光学フィル夕の具体例について説明する
が、この記述に制限されることなく、その他の諸部材の
形状や材料、諸パラメータの値等の使用もこの発明の特
徴事項から逸脱しない限り使用することができる。

第９図の結晶３１６はよく磨かれたタンタル酸リチウム
（ＬＩＴａ０３）結晶の矩形Ｙカット板であり、×，Ｙ
，Ｚ軸方向の長さは１８肌、０．１４側および１１側で
ある。また電極ストリップ３２４ａ，３２４ｂは長さ５
柵、中２５＃ｍ、スベーシングは３０仏のに形成されて
いる。電源Ｖ，，Ｖ２，Ｖ３・・・ＶＮから供給される
制御電圧は、Ｘ軸に沿って順次極性を変えて印加される
ほぼ同じ大きさの電圧４８ボルトである。入射光３１０
１こはタングステンフィラメントから放射される白色光
が用いられ、射出光３２０は狭いバンド中を有する青色
光である。該青色光は中心周波数入。が０．４５７ｒｍ
であり、最大値より＄比低い所でのバンド中は０．７２
Ａになっている。その他、フィルタ設計に必要なパラメ
ータは次の第１表に示されている。第１表Ｎ＝１００Ｌニ５，５帆Ａ〆＝１１０仏の △ｎ＝０．００４１５Ｑ＝０．００７８５ラジアン前述のように、この発明のフィル夕に用いる後屈折性の
結晶質部材では、所定の方向に印加された電圧に応じて
、光路に直角な面内での光軸の回転が行なわれる。

このような光軸の回転は、電気光学効果を用いて、屈折
率楕円体によって表現された材料の光学的特性を変化さ
せることにより達成される。上記の屈折率楕円体は、結
晶の誘電率主軸（ｐｒｉｎｃｉｐａ！ｄｉｅｌｅｃｒ
ｉｃａｘｅａ）と、対応する主軸に沿って偏よった光
の屈折率との関係を表示する。上記屈折率楕円体および
その応用に関しては、１９７１年に発行された図書“光
工学入門（ｌｎｔｒｏｄｕｃｔｊｏｎｔｏＯｐｔｉｃａ
ｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）’’ のセクション９．
１の２２３〜２３０ページに記載ごている。上記参考図
書に説明されているように、ｊ方向に露場ＥｊがＥＯ力
ロされると、屈折率楕円体を表現する式のｉ方向の係数
１／ｎ２の変化であるＡ（１／ｎ２）ｉが上記Ｅｊと電
気光学係数ｒｉｊに応じて決定される。上記ｒｉｊに記
されたｉは１〜６、ｊは１〜３から選ばれた正の整数で
あり、上述の関数は次式により表現される。屈折率楕円
体のｉ＝１，２，３に対応する３個の係数は、Ｘ，Ｙお
よびＺ軸方向の屈折率の大きさの変化に応じて変化し、
またｉ＝４，５，６に対応する上記３個の係数は、Ｙ−
Ｚ平面、×−Ｚ表面およびＸ−Ｙ平面内での光軸の回転
に応じて変化する。

上述の現象のうちこの発明に用いられるのはｉ＝４，５
，６に対応する方の現象である。したがって、この発明
のフィル夕に用いる複屈折性の結晶質部材は、電気光学
係数ｒ小ｒ４２，ｒ４３’ ｒ５１’ｒ５２’ｒ則
ｒ６１’ｒ６２およびｒ６３の群の中から選ばれた０で
ない少くとも１個の係数を有するものでなくてはならな
い。第１図の実施例の基づく１具体例では、霞場はＸ軸
と平行に印加され、光軸の回転はＹＺ平面内で行なわれ
、電気光学係数としてｒ４，が用いられる。

このように結晶板２２に用いる材料は、０でない電気光
学係数ｒ４．を持つことを要する。また第９図の実施例
に基づく１具体例では、電場はＹ鞠に平行に印加され、
ＹＺ平面内に光軸の回転が生ずる。この場合は電気光学
係数ｒ４２が用いられ、この係数ｒ４２が０でない材料
でなくてはならない。更に一般的に論ずれば、光路方向
に雷場が印加された場合（すなわち縦方向モードの作動
）では、電気光学係数ｒ４，，ｒ５２およびｒ母の中の
少くとも１個が０でないとの条件が必要である。

多くの結晶系とクラス（点グループ）の完全なりストア
ップおよび縦方向モードフィル夕に使用される電気光学
係数ｒｉＪが次表川こ記されている。この表及びその他
の表に於ては、通常用いられる結晶学上の術語は、ドー
バー出版社から１９７７年に発行された“結晶および光
（Ｃｒ＄ｔａｌｓａｎｄＬｉ鮒ｔ）”の第５章、５３〜
６１ページに記載されたものである。第○表（縦方向）結晶系クラス（点群）ｒｉｉ（ｉｉ）等軸晶系
存し六方晶系６４１（＝−５２）６２２４１（＝−５２）三方晶系３４１（＝−５２）３２４１（＝一５２）正方晶系４４１（＝−５２）４４１（＝＋５２）４２２４１（＝−５２）４２の４１（ニ十５２）斜方晶系２２２４１，５２，６３単斜晶系
２４１，５２，６３三斜晶系１４１，５２，６３電場が光路に直角方向に印加される場合（すなわち横方
向モードの作動）には、電気光学係数ｒ子・，ｒ４３，
ｒ５１，ｒ５３，ｒ６，およびｒ６２の内の少くと
も１個は０でないことが必要である。

この発明の横方向モード作動に対する、多くの結晶系と
クラス（点グループ）の完全なりストアップと電気光学
係数ｒｉｊは次に示す表ｍに示されている。第ｎｌ表（
横方向）結晶系く点る泉今．）ｒｉｉくｉｉ）等鞠晶系存し六方晶系６４２（＝＋５１）６帆４２（ニ十５１）三方晶系３４２（二十５１）３の４２（ェ十５１）正方晶系４４２（〒十５１）４４２（＝一５１）４肌４２（ニ十５１）斜方晶系のの２４２，５１単斜晶系２４３，６１の４２，５１，５３，６２三斜晶系１４２，４３，５１，５３，６１，６
２上記すべての実施例に於て考察したように、光の伝播
方向および印加される制御電場の方向は共に、結晶主軸
の方向に向けられている。

しかしこの発明の光学的フィル夕では、光の伝播方向と
、印加される制御電圧がどの結晶主軸にも平行でないよ
うに結晶を形成することができる。

特定の例について記せば、結晶が光軸から８だけ回転し
た位置でカットされた場合には、新しい電気光学係数ｒ
′４，が縦方向電場を用いる場合に対して形成される。

ｒ′４，の値は次式から計算される。ｒ′４，＝ｒ４，
ｃｏｓ２８−ｒ５がｉ〆８十（ｒ４２−ｒ５，）×ＣＯ
Ｓ０・Ｓｉｎ８ “””ｔ８）このよう
にして特に所望された結晶に対しｒ４，＝ｒ５２＝０，
ｒ２及び／又はｒ５，羊０である場合には、使用する結
晶が横方向モードの結晶であったとしても、この結晶は
回転の後に、縦方向モードのフィル夕として使用するこ
とができる。

更に回転が、結晶軸であるＸ軸又はＹ軸又は双方の軸の
まわりに行なわれると、新しい電気光学係数が形成され
る。上記新しい電気光学係数は幾何学的角度の関数によ
って重み付けされたオリジナルな主軸に関する電気光学
係数の組合せによって形成される。このような新しい係
数は、オリジナル係数が適当でない場合にもこの発明の
フィル夕にとって適当であるように形成され得る。上記
事実のために、大きな値の電気光学係数を有する結晶を
選択する場合に、この選択の自由度を広くすることがで
かさる。次に示す表Ｗ、表Ｖは結晶系と、クラス（点グ
ループ）と、新しい電気光学係数でｉｊを表示したもの
である。

上記ｒ′ｉｊは３個の結晶主軸に対して回転した方向で
の結晶カットにより、縦方向モードフィル夕および横方
向フィル外こ対して求められる。表Ｗ、表Ｖ‘こ於て、
星印１個は記載された作動モードに対し新しく許された
結晶のクラスを示し、星印２個は両作用モードもこ対し
てこの発明のようにしなくては許されない新しい結晶の
クラスを意味する。第Ｗ表第Ｖ表（横方向…回転すみ）結晶系クラスｒｉｉ（ｉｉ）（点グループ）等紬晶系なし六方晶系６４３，５３，６１，６２６２２☆
４３，５３，６１，６２三方晶系３４３，５
３，６１，６２３２☆ ４３，５３，６１，６２正方
晶系４４３，５３，６１，６２４４２，４
３，５１，５３，６１，６２４２２☆４３，５３，６１，６２４２の☆ ４２，４３，５１，５３，６１，６２斜方晶系２２２☆ ４２，４３，５１，５３，６１，６
２単斜晶系２４２，４３，５１，５３，６１，
６２三斜晶系１４２，４３，５１，５３’６１
，６２上記実施例の説明から、この発明によれば、非常
に適用範囲の広い電子技術的に調節可能な光学フィル夕
を得ることができることがわかる。

またこの発明によれば、多くの要求性能を有するフィル
夕の設計に際し、自由度が大きくなるとともに、フィル
夕を電子技術的にプログラム制御し、非常に広い範囲の
透過特性を得ることができるし、また音響光学的フィル
夕に比べて消費パワーを小さくすることができる。事実
この発明の光学的フィル夕に必要なパワー消費は、制御
電場形成の際に生ずる、小さな漏洩電流によるものだけ
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光学的フィル夕の斜視図、第２図は
第１図のフィル夕に使用される結晶に電圧を印加する状
態と該電圧の印加によって生ずる効果を説明する斜視図
、第３図は順次配置された結晶板に電圧を印加されたと
きに生ずる各結晶板の光軸の回転を説明する斜視図、第
４図、第４ａ図、第４ｂ図および第４ｃ図は第３図の結
晶板を使用した場合に生ずる入射光の偏光方向の回転状
況を説明する図、第５ａ図、第５ｂ図、第５ｃ図、第６
ａ図および第６ｂ図は第１図のフィル夕に印加する電圧
のパターンの例を示す図、第７図および第８図はこの発
明の光学的フィル夕の他の実施例をそれぞれ示す斜視図
、第９図はこの発明の光学的フィル夕の他の実施例で、
結晶に印加する電圧供給方式が相違するものを示す側面
図である。１２…光源、１４・・・入射偏光子，第１の偏光子、１
６・・・電気光学的結晶装置、１８・・・検光子，第２
の偏光子、２２・・・結晶板、２４・・・電極、２６・
・・ェポキシ層、３０，３２…電極、３４・・・結晶、
３４ａ〜３４ｅ・・・複屈折性結晶板，結晶板、３６・
・・光軸、３６′，３６″・・・光軸位置、４０・・・
入射偏光子，第１の偏光子、４２・・・検光子，第２の
偏光子、４４・・・偏光、４４ａ〜４４ｃ・・・偏光、
４８・・・正弦波、５０，５２，５４・・・制御電圧分
布波形曲線、１１４・・・入射偏光子，第１の偏光子、
１１６・・・電気光学的結晶装置，結晶、１１８・・・
検光子，第２の偏光子、１２２・・・高抵抗領域、１２
４・・・低抵抗領域、２１４・・・入射偏光子，第１の
偏光子、２１６・・・電気光学的結晶装置，結晶、２！
８・・・検光子，第２の偏光子、２２４・・・電極，低
抵抗領域、２２５・・・上表面、３１４・・・入射偏光
子，第１の偏光子、３１６・・・電気光学的結晶装置，
結晶、３１８・・・検光子，第２の偏光子、３２４ａ，
３２４ｂ・・・電極ストリップ、Ｖ，，Ｖ２・・・ＶＮ
・・・光源。〇山Ｎ ○ Ｕの〇山ＦＩｇ４ＦＩｇ４ｏＦＩｇ４ｂＦｉｇ４ｃＦＩ９５ｏＦＩｇ５ｂＦＩ９５ｃＦｉｇ，６０．Ｆｉｇ６ｂＦｉｇ７．Ｆｉｇ８．ＦＩｇ．９．

Claims

【特許請求の範囲】１所定の方向に延びる光路に沿つて相互間に間隔をお
いて偏り方向が角度をなして配置され、濾波される光線
を受ける第１の偏光子と、濾波された光線を送出する第
２の偏光子と；上記両偏光子の間に、上記光路に沿つ
て、光軸を該光路とほぼ直角に向けて配置され、印加さ
れる直流電場に対応して該光軸を上記光路と直角な平面
内で電気光学的に回転させる複屈折性の結晶質部材と；
複数個の波長を含む入射光線を上記光路に沿つて上記
第１の偏光子を介して上記結晶質部材に導く手段、を
有する光学的フイルタに於て、上記結晶質部材の上記光路に沿つて順次定められた複
数個の領域に、第１の偏光子から送られた偏光を受ける
１端からの距離の関数として定められた直流電場を形成
し、上記領域の光軸を第１の偏光子の偏り方向とほぼ
平行な方向から、上記光路とほぼ直角な平面内で、上記
直流電場によつて定まる方向と角度に従つて電気光学的
に回転させ、第１の偏光子を介して送られた光線の偏
り方向を、該光線が上記領域を通過するごとに、電気光
学的に回転された光軸に対して対称な偏り方向に移動さ
せることによつて、第１偏光子を介して上記結晶質部
材に送られた光線の偏り方向を該方向の両側に振動的に
回転させて、結晶質部材の他端から第２の偏光子に向か
つて送出し、第１の偏光子に対する入射光線に含まれ
る多数の波長を有する光線のうち、少なくとも１部は第
２の偏光子を通過させ、その他の波長の光線のうち少く
とも１部は第２の偏光子の通過を阻止すること、を特
徴とする光学的フイルタ。２上記第２の手段が、上記光路方向に上記フイルタ内
を伝播する光の波長の関数として決定される所望の透過
特性に応じて変化する複数個の直流制御電圧を発生し、
上記光路方向の引続く対応領域に所定の直流電場を印加
するようにプログラム制御できる電源手段を具備する特
許請求の範囲第１項に記載の光学的フイルタ。３上記複屈折性の結晶質部材が、その光軸を上記第１
の偏光子の偏り方向と平行に向けて配置されたものであ
る特許請求の範囲第１項ないし第２項のいずれかに記載
の光学的フイルタ。４上記複屈折性の結晶質部材が、その光軸を上記第１
の偏光子の偏り方向と直角に向けて配置されたものであ
る特許請求の範囲第１項ないし第２項のいずれかに記載
の光学的フイルタ。５上記結晶質部材が、上記光路とほぼ平行に電場を印
加されたとき、光軸を上記光路とほぼ直角な面内で回転
させる電気光学的特性を有する複屈折性の結晶質部材で
あり、上記直流電場が上記光路とほぼ平行に形成されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
に記載の光学的フイルタ。６上記複屈折性の結晶質部材が上記光路に沿つて次々
に配置された一連の複屈折性結晶板を含み、該結晶板が
それぞれ上記光路とほぼ直角に向けられた、互に対向す
る１対の広い表面を有し；上記第２の手段が上記表面に
取付けられた透明な電気導体からなる層板と、１対の上
記層板の間に上記制御電圧を印加する手段を有する特許
請求の範囲第５項に記載の光学的フイルタ。７上記複屈折性の結晶質部材が、上記光路に沿つて延
出する複屈折性結晶で、その長さ方向に配置されたそれ
ぞれ複数個の低抵抗領域と高抵抗領域から成り、上記低
抵抗領域と高抵抗領域が交互に配置されたものを備え、
また上記第２の手段が隣接配置された上記低抵抗領域の
間に制御電圧を印加する手段を有する特許請求の範囲第
５項に記載の光学的フイルタ。８上記複屈折性の結晶質部材が上記光路に沿つて延び
る複屈折性結晶を有し；上記第２の手段が、上記結晶の
長さ方向に離隔した領域で、該結晶質部材の広い一方の
表面に上記光路とほぼ直角に設けられた複数個の電極ス
トリツプと、上記電極ストリツプの引続く１対の間にそ
れぞれ制御電圧を印加する手段を有する特許請求の範囲
第５項に記載の光学的フイルタ。９上記複屈折性の結晶質部材が、上記光路方向に延出
する複屈折性結晶を有し；上記第２の手段が、該結晶の
長さ方向に離隔した領域で該結晶の対向する広い表面に
設けられたそれぞれ複数個の第１および第２の電極スト
リツプ列を有し、上記各電極ストリツプが、上記光路と
ほぼ直角に配置され、上記第１の電極ストリツプ列の各
電極ストリツプと、上記第２の電極ストリツプ列の各電
極ストリツプが、１個づつ互に整列するように形成され
ているものと、上記第１および第２の電極ストリツプか
らなる各１対の電極ストリツプの間に制御電圧を印加す
る手段を有する特許請求の範囲第５項に記載の光学的フ
イルタ。１０上記結晶質部材が上記光路とほぼ直角な電場を印
加されたとき、光軸を上記光路とほぼ直角な面内で回転
させる電気光学的特性を有する複屈折性の結晶質部材で
あり、上記直流電場が上記光路とほぼ直角方向に上記結
晶質部材に形成される特許請求の範囲第１項又は第２項
に記載の光学的フイルタ。１１上記複屈折性の結晶質部材が上記光路方向に延出
する複屈折性結晶を有し；上記第２の手段が上記結晶の
長さ方向に離隔する領域で、該結晶の互に対向する広い
表面にそれぞれ設けられた第１および第２の電極ストリ
ツプの列で、上記各電極ストリツプが上記光路にほぼ直
角に配置され、上記第１の電極ストリツプの列に含まれ
る電極ストリツプと、上記第２の電極ストリツプの列に
含まれる電極ストリツプが１個ずつ互に整列するように
形成されたものと、上記第１および第２の電極ストリツ
プからなり、上記のように整列された各１対の電極スト
リツプの間に制御電圧を印加する手段を有する特許請求
の範囲第１０項に記載の光学的フイルタ。１２上記結晶質部材がタンタル酸リチウムから成る特
許請求の範囲第１０項に記載の光学的フイルタ。１３上記結晶質部材が硫化カドミウムから成る特許請
求の範囲第１０項に記載の光学的フイルタ。１４上記結晶質部材がチオ没食子酸銀から成る特許請
求の範囲第１０項に記載の光学的フイルタ。