Ding, Y. Q., Huang, X. J., Ma, Y. Z. Y., Li, Y., Wu, S. T. “High-efficiency RGB achromatic liquid crystal diffractive optical elements.” Opto-Electron Adv 8, 240181(2025). https://doi.org/10.29026/oea.2025.240181
背景
拡張現実（AR）や仮想現実（VR）は、現実世界と電子的な情報の相互作用を深める次世代の技術として、教育、医療、製造業などの多岐にわたる分野で急速に応用が進められている 。これらの装置が日常的に着用可能な形態となるためには、光学部品の小型化、軽量化、および低消費電力化の実現が不可欠である 。パンチャラトナム・ベリー位相光学素子（PBOE）は、液晶分子の空間的な幾何学的位相を利用して光の波面を制御する平面光学素子であり、極めて薄い形状でありながら約100%という極めて高い回折効率を達成できる 。この素子は、特定の円偏光状態に対して強い選択性を持ち、動的な機能切り替えが可能であるといった優れた物理的特性を有する 。液晶分子の方位角分布によって位相を制御するため、従来の厚みのある屈折光学部品とは異なり、平面的な構造を保ったまま複雑な光学設計を可能とする高い自由度がある 。また、製造工程が比較的簡便であり、量産時において費用を低く抑えられる点も、大規模な普及に向けた大きな利点である 。
従来の問題点
しかし、回折現象を利用する光学素子においては、入射する光の波長に応じて焦点距離が変動してしまう色収差が長年の深刻な課題となっている 。色収差を抑制するために従来の屈折レンズを積層する手法は装置の重量増加を招き、電子的補正や時間割駆動方式は計算負荷の増大や色割れの発生を伴う 。さらに、特定の波長帯域のみに作用する素子を重ねる方法では、隣接する色成分との不要な相互作用である混信が生じやすく、二重像の発生や光利用効率の著しい低下を引き起こすという問題点がある 。
解決方法と結果
そこで、本研究では複数の液晶ねじれ角を最適化した多層ねじれ構造を提案し、混信を極小化した狭帯域なPBOEを実現することで色収差を解消した 。厳密結合波解析を用いて赤緑青の各波長における膜厚とねじれ角を精密に調整し、試作した積層型素子において色収差が劇的に改善されることを投影実証実験により確認した 。実証実験では、光配向膜への正確な位相分布の露光と記録を目的として、マッハ・ツェンダー干渉計の光源にCobolt社製のレーザーが使用された 。本手法は、液晶材料の分散特性に制約されず高い自由度で設計が可能であり、次世代の広視野角な表示装置への応用が期待される 。
※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。
論文で使用されたCoboltのレーザー
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