JP2002311410A - Optical switching element, spatial light modulator and image display device - Google Patents

Optical switching element, spatial light modulator and image display device

Info

Publication number
JP2002311410A
JP2002311410A JP2001121407A JP2001121407A JP2002311410A JP 2002311410 A JP2002311410 A JP 2002311410A JP 2001121407 A JP2001121407 A JP 2001121407A JP 2001121407 A JP2001121407 A JP 2001121407A JP 2002311410 A JP2002311410 A JP 2002311410A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
optical switching
refractive index
liquid crystal
switching element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001121407A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Kondo
均 近藤
Hidenori Tomono
英紀 友野
Ikue Kawashima
伊久衞 川島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2001121407A priority Critical patent/JP2002311410A/en
Publication of JP2002311410A publication Critical patent/JP2002311410A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Liquid Crystal (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical switching element having simple structure and high durability and capable of being operated at high speed. SOLUTION: An optically transparent light transmission member 11 is provided with an incident surface 12 to make light beams from a light source incident, a total reflection surface 13 to totally reflect the light beams and a light emission surface 14 to emit the totally reflected light beams to the outside. When a formula sinθ1 >=(n2 /n1 ), incident light is totally reflected on the total reflection surface 13 and emitted on the light emission surface 14. When the above formula is not satisfied, for example, a refractive index of a refractive index variable material 15 is changed (increased) by impression of voltage, the incident light is not changed and a part or approximately the entire part of it reaches a reflection control member 16. The refractive index variable material 15 is defined as a liquid crystal/polymer complex formed by distributing and storing a liquid crystal material in the polymer matrix. The light reached the reflection control member 16 is not emitted to all the reflecting directions since its distributing and reflecting direction is changed. Thus, output of the light from the light emission surface 14 is modulated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光スイッチング素
子、空間光変調器及び画素表示装置、より詳細には、構
造が簡単で耐久性が高く、高速に動作する光スイッチン
グ素子、空間光変調器、及びそれを用いた画像表示装置
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical switching element, a spatial light modulator, and a pixel display device, and more particularly, to an optical switching element and a spatial light modulator that have a simple structure, high durability, and operate at high speed. And an image display device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】光スイッチング素子としては液晶を使っ
たものが知られている。図20はその一例を説明するた
めの図である。透明電極102と反射電極103との間
に電圧をON/OFFすることで液晶の配向を制御し
て、図示しない偏光板を通して入射光を透過する状態1
04aと入射光を遮断する状態104bとを切り替えら
れる。これによって光の反射を制御することができる。
2. Description of the Related Art As an optical switching element, one using liquid crystal is known. FIG. 20 is a diagram for explaining an example. A state in which incident light is transmitted through a polarizing plate (not shown) by controlling the orientation of the liquid crystal by turning on / off a voltage between the transparent electrode 102 and the reflective electrode 103.
04a and the state 104b of blocking incident light can be switched. This makes it possible to control the reflection of light.

【0003】しかし、液晶の応答速度は通常のネマティ
ック液晶で数ms〜数10ms、高速といわれている強
誘電性液晶の場合でも100μs程度であり、これらの
液晶を使った光スイッチング素子では高速な光スイッチ
ングができない。
However, the response speed of a liquid crystal is several milliseconds to several tens of milliseconds for a normal nematic liquid crystal, and about 100 μs even for a ferroelectric liquid crystal which is said to be high-speed. Optical switching is not possible.

【0004】そのほかの技術として、特開平11−20
2222号公報に開示されている技術がある。図21は
特開平11−202222号公報で提案されている光ス
イッチング素子の動作説明図である。光を全反射して伝
達可能な全反射面121を備えた導光部120と、全反
射面に対し抽出面131を接近させてエバネッセント光
を捉え、それを反射して出射することができるプリズム
130と、この光スイッチング部を駆動する駆動部14
0とを光の出射方向に対してこの順番で積層した構成と
なっている。図21の右側のセルは、駆動部140を動
作させることによってプリズム130がエバネッセント
光の漏出する抽出距離以上離れた位置にある状態を示し
ている。この時には、導光部120中を伝搬してきた光
線110は図21に示されるように全反射面121で全
反射され図の右方向へと出射していく。駆動部140を
動作させない時には図21の左側のセルのようにプリズ
ム130はエバネッセント光が漏出する抽出距離以下に
近接しているので、導光部120中を伝搬してきた光線
110は図21の左側セルに示されたように全反射面1
21で反射することなくプリズム130に進入する。プ
リズム130に進入した光線はプリズムの反射面132
で反射して図21に示した光線111のように導光部1
20を透過して出射される。
Another technique is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-20 / 1999.
There is a technique disclosed in Japanese Patent Application No. 2222. FIG. 21 is a diagram for explaining the operation of the optical switching element proposed in JP-A-11-202222. A light guide section 120 having a total reflection surface 121 capable of transmitting light by total reflection, and a prism capable of capturing the evanescent light by approaching the extraction surface 131 to the total reflection surface, reflecting the evanescent light, and emitting the light. 130 and a drive unit 14 for driving the optical switching unit
0 are stacked in this order with respect to the light emission direction. The cell on the right side of FIG. 21 shows a state in which the prism 130 is located at a position more than the extraction distance at which the evanescent light leaks by operating the driving unit 140. At this time, the light beam 110 that has propagated through the light guide 120 is totally reflected by the total reflection surface 121 as shown in FIG. 21 and exits rightward in the figure. When the driving unit 140 is not operated, the prism 130 is closer than the extraction distance at which the evanescent light leaks as in the cell on the left side of FIG. Total reflection surface 1 as shown in cell
The light enters the prism 130 without being reflected at 21. The light rays that have entered the prism 130 are reflected by the reflecting surface 132 of the prism.
The light guide portion 1 is reflected as shown by a ray 111 shown in FIG.
The light is transmitted through 20 and emitted.

【0005】この方式において、エバネッセント光の抽
出・非抽出という2つの状態をスイッチングするには、
光の波長程度以下の微小な変位でよいため低駆動電圧で
高速な応答が期待できる。しかしながら、図21に示し
たようなプリズム130の構造は複雑であるため、複数
個を微小なサイズで基板上に均一に形成するのは困難で
あり、そのため製造歩留まりが低下し、コストアップに
つながるという問題がある。また、プリズム130を全
反射面121に近接させるとファンデルワールス力ある
いは液架橋力が作用して、引き剥がしが困難になるとい
う問題もある。
[0005] In this method, in order to switch between the two states of extraction and non-extraction of evanescent light,
Since a small displacement of about the wavelength of light or less is sufficient, a high-speed response with a low driving voltage can be expected. However, since the structure of the prism 130 as shown in FIG. 21 is complicated, it is difficult to uniformly form a plurality of the same on a substrate with a small size, thereby lowering the manufacturing yield and increasing the cost. There is a problem. Further, when the prism 130 is brought close to the total reflection surface 121, a van der Waals force or a liquid bridging force acts, which causes a problem that the peeling becomes difficult.

【0006】さらに別の技術として、特開2000−1
71813号公報に開示されている技術がある。図22
は特開2000−171813号公報で提案されている
光スイッチング素子の概略構成を示す図である。全反射
により光を伝えている導光体150に接触させた液晶1
55に電圧を印加することにより、液晶分子の配向をコ
ントロールし、それにより実効的な屈折率を異常光に対
する値と常光に対する値の間で変化させる。この結果、
入射光(直線偏光)152が全反射光153として出射
される状態と、透過光となったのち反射膜154によっ
て向きを変えられて反射光151として出射させる状態
とをスイッチングすることができる。この方式において
は、機械的な駆動部を持たないために上述のような問題
は生じないが、動作速度の点に関しては、図20に示し
たものと同様の問題を有している。
Another technique is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-1.
There is a technology disclosed in Japanese Patent No. 71813. FIG.
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an optical switching element proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-171813. Liquid crystal 1 in contact with light guide 150 transmitting light by total reflection
By applying a voltage to 55, the orientation of the liquid crystal molecules is controlled, thereby changing the effective refractive index between a value for extraordinary light and a value for ordinary light. As a result,
It is possible to switch between a state in which the incident light (linearly polarized light) 152 is emitted as the totally reflected light 153 and a state in which the incident light (the linearly polarized light) 152 is transmitted and then changed its direction by the reflection film 154 and emitted as the reflected light 151. In this method, the above-described problem does not occur because there is no mechanical drive unit, but there is a problem similar to that shown in FIG. 20 in terms of operation speed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明では上記問題点
を解決し、構造が簡単で耐久性が高く、高速に動作する
光スイッチング素子、空間光変調器、及びそれを用いた
画像表示装置を提供することを目的とする。より具体的
には、(1)構造が簡単で耐久性が高く、応答速度が速
い光スイッチング素子を提供すること(請求項1)、
(2)上記に加え、光損失の小さい光スイッチング素子
を提供すること(請求項2)、(3)上記に加え、S/
N比を高くできる光スイッチング素子を提供すること
(請求項3)を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems and provides an optical switching element, a spatial light modulator, and an image display device using the same which are simple in structure, have high durability, and operate at high speed. The purpose is to provide. More specifically, (1) To provide an optical switching element having a simple structure, high durability, and high response speed (claim 1);
(2) In addition to the above, to provide an optical switching element with small optical loss (Claim 2), (3) In addition to the above, S /
It is an object of the present invention to provide an optical switching element capable of increasing the N ratio (claim 3).

【0008】(4)さらに、上記に加え、入射角依存が
小さく、簡略に製造できる光スイッチング素子を提供す
ること(請求項4)、(5)上記に加え、耐久性の高い
光スイッチング素子を提供すること(請求項5)、
(6)よりS/N比を高くできる光スイッチング素子を
提供すること(請求項6)、(7)上記に加え、駆動エ
ネルギーを小さくできる光スイッチング素子を提供する
こと(請求項7)を目的とする。
(4) In addition to the above, to provide an optical switching element which has a small incident angle dependence and can be easily manufactured (claim 4). Providing (claim 5),
(6) To provide an optical switching element capable of higher S / N ratio (Claim 6), and (7) In addition to the above, to provide an optical switching element capable of reducing driving energy (Claim 7). And

【0009】(8)さらには駆動エネルギーを小さくで
きる光スイッチング素子を提供すること(請求項8)、
(9)より駆動エネルギーを小さくできる光スイッチン
グ素子を提供すること(請求項9)、(10)上記に加
え、製造が容易な光スイッチング素子を提供すること
(請求項10)を目的とする。
(8) To provide an optical switching element capable of reducing driving energy (claim 8).
(9) It is an object of the present invention to provide an optical switching element capable of further reducing driving energy (Claim 9), and (10) In addition to the above, to provide an optical switching element which is easy to manufacture (Claim 10).

【0010】(11)さらには、構造が簡単で耐久性が
高く、応答速度が速い空間光変調器を提供すること(請
求項11)、(12)上記に加え、出力信号の空間的歪
みが少ない空間光変調器を提供すること(請求項1
2)、(13)上記に加え、低コストな空間光変調器を
提供すること(請求項13)、(14)さらに低コスト
で、小型の空間光変調器を提供すること(請求項14)
を目的とする。
(11) Further, to provide a spatial light modulator having a simple structure, high durability and a high response speed (claim 11). (12) In addition to the above, spatial distortion of an output signal is reduced. Providing a reduced spatial light modulator (Claim 1)
2), (13) In addition to the above, to provide a low-cost spatial light modulator (Claim 13), (14) To further provide a low-cost, small-sized spatial light modulator (Claim 14).
With the goal.

【0011】(15)さらには、耐久性が高く、表示容
量を大きくできる画像表示装置を提供すること(請求項
15)、(16)上記に加え、低コストな画像表示装置
を提供すること(請求項16)、(17)さらに低コス
トで、小型の画像表示装置を提供すること(請求項1
7)、をその目的とする。
(15) Further, to provide an image display device having high durability and a large display capacity (claim 15), (16) In addition to the above, to provide a low-cost image display device ( (16), (17) To provide a small-sized image display device at a lower cost (Claim 1).
7) is the purpose.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、光の
入射面、出射面および入射した光を全反射することがで
きる部分を有する全反射面を備えた導光部材と、該導光
部材の全反射面に対向して設けられ、入射光の全反射方
向への反射強度を減少させる機能を有する反射制御部材
とを有し、該反射制御部材と前記導光部材との間に、外
部信号によって屈折率が変化する屈折率可変物質を狭持
してなる光スイッチング素子において、該屈折率可変物
質が、液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液
晶/高分子複合体であることを特徴としたものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a light guide member including a light incident surface, a light exit surface, and a total reflection surface having a portion capable of totally reflecting incident light; A reflection control member provided to face the total reflection surface of the light member and having a function of reducing the reflection intensity of the incident light in the total reflection direction, between the reflection control member and the light guide member. In an optical switching element comprising a variable refractive index material whose refractive index changes according to an external signal, the variable refractive index material is a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix. It is characterized by the following.

【0013】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記屈折率可変物質の前記液晶材料は、入射光の波
長の1/5以下の粒径を有するドロップレットであるこ
とを特徴としたものである。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the liquid crystal material of the variable refractive index material is a droplet having a particle size of 1/5 or less of the wavelength of incident light. It was done.

【0014】請求項3の発明は、請求項1または2の発
明において、電圧無印加時に前記液晶材料全ての液晶分
子が概略一方向に配列することを特徴としたものであ
る。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, all the liquid crystal molecules of the liquid crystal material are arranged in one direction when no voltage is applied.

【0015】請求項4の発明は、請求項1乃至3のいず
れか1の発明において、前記反射制御部材は、少なくと
も光吸収材料を含むことを特徴としたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the reflection control member includes at least a light absorbing material.

【0016】請求項5の発明は、請求項1乃至3のいず
れか1の発明において、前記反射制御部材は、少なくと
も光散乱材料を含むことを特徴としたものである。
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the reflection control member includes at least a light scattering material.

【0017】請求項6の発明は、請求項1乃至3のいず
れか1の発明において、前記反射制御部材は、少なくと
も前記全反射面と平行ではない角度に固定された反射面
を有することを特徴としたものである。
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the reflection control member has at least a reflection surface fixed at an angle which is not parallel to the total reflection surface. It is what it was.

【0018】請求項7の発明は、請求項6の発明におい
て、入射光が前記導光部材の前記全反射面から前記屈折
率可変物質に進入する時に該全反射面の法線とのなす角
度をθ2とすると、前記反射制御部材は、前記反射面に
交差し、該反射制御部材の形成基板面に対する傾斜角が
90°−θ2以下である第2の面を有することを特徴と
したものである。
According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, the angle formed by the incident light and the normal line of the total reflection surface when the incident light enters the variable refractive index material from the total reflection surface of the light guide member. When the the theta 2, the reflection control member intersects the reflective surface, the inclination angle with respect to forming substrate surface of the reflective control member is characterized by having a second surface is 90 ° - [theta] 2 or less Things.

【0019】請求項8の発明は、請求項6または7の発
明において、前記屈折率可変物質に外部信号を印加する
単位要素に対して、前記反射制御部材の前記反射面が複
数個設けられていることを特徴としたものである。
According to an eighth aspect of the present invention, in the sixth or seventh aspect, a plurality of the reflection surfaces of the reflection control member are provided for a unit element for applying an external signal to the variable refractive index substance. It is characterized by having.

【0020】請求項9の発明は、請求項6乃至8のいず
れか1の発明において、前記反射制御部材の前記反射面
と前記屈折率可変物質との間に、少なくとも前記反射面
を覆い上面が前記導光部材の全反射面と略平行である層
が設けられていることを特徴としたものである。
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the sixth to eighth aspects of the present invention, at least the reflection surface is covered between the reflection surface of the reflection control member and the variable refractive index material and the upper surface is formed. A layer substantially parallel to the total reflection surface of the light guide member is provided.

【0021】請求項10の発明は、請求項1乃至9のい
ずれか1の発明において、前記導光部材は、前記全反射
面となる面を有する平板導光体と前記入射面および前記
出射面を有する別の導光体とを光学的接合してなるもの
であることを特徴としたものである。
According to a tenth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the light guide member includes a flat light guide having a surface serving as the total reflection surface, the incident surface, and the emission surface. Is characterized by being optically bonded to another light guide having the following.

【0022】請求項11の発明は、請求項1乃至10の
いずれか1に記載の光スイッチング素子が二次元アレイ
状に配列されていることを特徴としたものである。
An eleventh aspect of the present invention is characterized in that the optical switching elements according to any one of the first to tenth aspects are arranged in a two-dimensional array.

【0023】請求項12の発明は、請求項11の発明に
おいて、前記導光部材の屈折率をn 1とし、前記全反射
面と前記出射面とのなす内角をα、前記全反射面の法線
とオン信号時における出力光線とのなす角をθとしたと
きに tanα={n1 2sin(α-θ)cos(α-θ)}/{1-n1 2sin2(α-θ)} を満足するαであるように設定されていることを特徴と
したものである。
The invention of claim 12 is the invention of claim 11
Here, the refractive index of the light guide member is n 1And the total reflection
Α is the interior angle between the surface and the exit surface, and the normal to the total reflection surface
And the angle between the output beam and the ON signal at
Tanα = {n1 Twosin (α-θ) cos (α-θ)} / {1-n1 TwosinTwo(α-θ)}.
It was done.

【0024】請求項13の発明は、請求項1乃至10の
いずれか1に記載の光スイッチング素子が一次元アレイ
状に配列されていることを特徴としたものである。
According to a thirteenth aspect of the present invention, the optical switching elements according to any one of the first to tenth aspects are arranged in a one-dimensional array.

【0025】請求項14の発明は、請求項1乃至10の
いずれか1に記載の光スイッチング素子が一次元アレイ
状に配列されてなる平面を有し、該平面を光スイッチン
グ素子の整列方向に平行な一軸を中心として回転駆動さ
せる駆動機構を設けたことを特徴としたものである。
According to a fourteenth aspect of the present invention, the optical switching element according to any one of the first to tenth aspects has a plane in which the optical switching elements are arranged in a one-dimensional array. It is characterized in that a driving mechanism for rotating and driving about one parallel axis is provided.

【0026】請求項15の発明は、請求項11または1
2に記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入
射させる手段と、該空間光変調器により形成した画像を
スクリーンに投影して表示する手段とを有することを特
徴としたものである。
The invention of claim 15 is the invention of claim 11 or 1
2. A device comprising: the spatial light modulator according to 2; means for causing a light beam to enter the spatial light modulator; and means for projecting an image formed by the spatial light modulator onto a screen and displaying the image. It is.

【0027】請求項16の発明は、請求項13に記載の
空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手
段と、該空間光変調器から出射した光線を該空間光変調
器の光スイッチング素子の整列方向に対して垂直な方向
に走査する走査機構と、該走査機構から出射した光線を
スクリーンに投影して表示する手段とを有することを特
徴としたものである。
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a spatial light modulator according to the thirteenth aspect, means for causing a light beam to be incident on the spatial light modulator, and a light beam emitted from the spatial light modulator. A scanning mechanism for scanning in a direction perpendicular to the arrangement direction of the optical switching elements, and means for projecting a light beam emitted from the scanning mechanism onto a screen for display.

【0028】請求項17の発明は、請求項14に記載の
空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手
段と、該空間光変調器により形成した画像をスクリーン
に投影し表示する手段とを有することを特徴としたもの
である。
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a spatial light modulator according to the fourteenth aspect, means for causing a light beam to enter the spatial light modulator, and an image formed by the spatial light modulator is projected and displayed on a screen. And means for performing the following.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、光の入射面、出
射面および入射した光を全反射することができる部分を
有する面(以後、全反射面と呼ぶ)とを備えた導光部材
と、該導光部材の全反射面に対向して設けられ、入射光
の全反射方向への反射強度を減少させる機能を有する反
射制御部材とを有し、該反射制御部材と前記導光部材と
の間に、外部信号によって屈折率が変化する屈折率可変
物質を狭持してなる光スイッチング素子において、該屈
折率可変物質が、液晶材料を高分子マトリクス中に分散
保持した液晶/高分子複合体であることを特徴とする光
スイッチング素子にある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A feature of the present invention is that a light guide includes a light incident surface, a light exit surface, and a surface having a portion capable of totally reflecting incident light (hereinafter, referred to as a total reflection surface). A reflection control member provided opposite the total reflection surface of the light guide member and having a function of reducing the reflection intensity of the incident light in the total reflection direction; and the reflection control member and the light guide. An optical switching element in which a refractive index variable substance whose refractive index is changed by an external signal is sandwiched between a member and a member, wherein the variable refractive index substance is a liquid crystal material in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix. An optical switching element characterized by being a molecular complex.

【0030】屈折率可変物質の屈折率が導光部材の屈折
率n1より小さい値n2である場合、入射光の全反射面へ
の入射角θ1が sinθ1≧(n2/n1) …(1) を満たす時、導光部材の全反射面は入射光を全反射する
ことで入射光をほぼ100%出射面から出射させる。外
部信号の印加によって、屈折率可変物質の屈折率が変化
(増加)し、(1)を満たさなくなると入射光の一部も
しくはほぼ全部が屈折率可変物質中を透過し、反射制御
部材に到達するため全反射方向への反射強度が減少す
る。また初期に(1)を満たさない状態にあって、外部
信号の印加によって屈折率可変物質の屈折率が変化(減
少)し、(1)を満たすような設定であっても同様な機
能を果たす。
[0030] When the refractive index of the variable refractive index material is a refractive index n 1 less than value n 2 of the light guide member, the incident angle theta 1 to the total reflection surface of the incident light sinθ 1 ≧ (n 2 / n 1 When satisfying (1), the total reflection surface of the light guide member totally reflects the incident light so that almost 100% of the incident light is emitted from the emission surface. When an external signal is applied, the refractive index of the variable refractive index material changes (increases). When (1) is not satisfied, part or almost all of the incident light passes through the variable refractive index material and reaches the reflection control member. Therefore, the reflection intensity in the total reflection direction decreases. Further, even if the condition (1) is not satisfied at first, the refractive index of the refractive index variable substance changes (decreases) by the application of an external signal, and the same function is achieved even if the setting is satisfied. .

【0031】ここで屈折率可変物質が、液晶材料を高分
子マトリクス中に分散保持した液晶/高分子複合体であ
ることにより、後述のように簡単な構造でありながら高
速応答が可能であることを見出し、本発明をなすに至っ
た(請求項1)。
Since the variable-refractive-index substance is a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix, high-speed response can be achieved with a simple structure as described later. And found the present invention (claim 1).

【0032】液晶/高分子複合体としては、例えば液晶
材料を高分子被膜で包含した微小なカプセルをバインダ
ー樹脂を用いて接合したものや、液晶材料と高分子材料
(あるいはその前駆体)の混合体から液晶材料を相分離
させた、いわゆる高分子分散液晶などがある。いずれに
してもその構造は液晶ドロップレットを高分子マトリク
ス中に分散したものとなり、その応答速度は液晶ドロッ
プレットの粒径を小さくするにつれて速くなることが実
験的にわかっており、特に入射光の波長の1/5以下の
粒径にすることが、散乱が減少し光透過率が高くなる、
すなわち光損失が著しく小さくなることから好ましい
(請求項2)。
As the liquid crystal / polymer composite, for example, a microcapsule in which a liquid crystal material is covered by a polymer film is bonded using a binder resin, or a mixture of a liquid crystal material and a polymer material (or a precursor thereof). There is a so-called polymer dispersed liquid crystal in which a liquid crystal material is phase-separated from a body. In any case, the structure is such that the liquid crystal droplets are dispersed in a polymer matrix, and it has been experimentally found that the response speed increases as the particle size of the liquid crystal droplets decreases. When the particle size is 1/5 or less of the wavelength, scattering is reduced and light transmittance is increased.
That is, it is preferable because light loss is significantly reduced (claim 2).

【0033】上記の液晶は電圧無印加時に全ての液晶分
子がほぼ一方向に配列していることが好ましい。この方
向を電圧印加時に液晶分子が揃う方向(電界方向)とほ
ぼ直交させることにより大きな屈折率差が得られるた
め、同じ入射角に対して、外部信号印加時の屈折率可変
物質中への光透過率を大きくすることができ、高いS/
N比を得ることができる。あるいは同じS/N比を得る
ための入射角マージンが広くなる(請求項3)。
In the above-mentioned liquid crystal, it is preferable that all liquid crystal molecules are arranged in almost one direction when no voltage is applied. By making this direction substantially perpendicular to the direction in which liquid crystal molecules are aligned (electric field direction) when a voltage is applied, a large difference in refractive index can be obtained. Therefore, for the same incident angle, light entering the variable refractive index material when an external signal is applied is obtained. The transmittance can be increased, and a high S /
An N ratio can be obtained. Alternatively, an incident angle margin for obtaining the same S / N ratio is widened (claim 3).

【0034】反射制御部材としては、少なくとも光吸収
材料を含むものであることが、製造の容易さや入射角が
変化しても光スイッチング機能に影響がない点から好ま
しい。具体的にはカーボンブラック、酸化鉄、酸化クロ
ムなどの顔料や、金属超微粒子からなる層もしくはそれ
らを含有する高分子膜や、ダイレクトブラックやアシッ
ドブラックなどの染料で着色された高分子膜等を基板上
に形成すればよい。また、異なる吸収波長域をもつ複数
の顔料や染料を混合することによって広範囲の波長域で
吸収をもつようにしてもよいし、さらに入射光波長域が
赤、緑あるいは青等の単色光の場合には特定の波長域だ
けを吸収できればよいので、必要な波長域に吸収をもつ
顔料や染料を用いればよい。このような層あるいは膜の
上にさらに光透過性の層を形成してもよい(請求項
4)。
It is preferable that the reflection control member contains at least a light-absorbing material from the viewpoint that the light-switching function is not affected even if the manufacture is easy or the incident angle changes. Specifically, pigments such as carbon black, iron oxide, and chromium oxide, layers composed of ultrafine metal particles or polymer films containing them, and polymer films colored with dyes such as direct black and acid black are used. What is necessary is just to form on a board | substrate. In addition, a plurality of pigments or dyes having different absorption wavelength ranges may be mixed to have absorption in a wide range of wavelength ranges, or the incident light wavelength range may be monochromatic light such as red, green or blue. Since it is only necessary to absorb only a specific wavelength range, a pigment or dye having absorption in a necessary wavelength range may be used. A light transmitting layer may be further formed on such a layer or film (claim 4).

【0035】別の反射制御部材として、少なくとも光散
乱材料を含むものであることが、上記に加え、耐久性の
点から好ましい。前記光吸収材料を含むものの場合には
特に入射光のエネルギーが高い場合、吸収したエネルギ
ーによって熱が発生し、反射制御部材あるいはそれが接
する部位が変質するおそれがある。光散乱能材料を含む
ものであれば、入射エネルギーが発散するので変質等の
発生はなく、耐久性が向上する。具体的には酸化チタン
や酸化アルミニウム、硫酸バリウムなど白色の微粒子か
らなる層あるいはそれらを含有する高分子膜等を基板上
に形成すればよい。このような層あるいは膜の上にさら
に光透過性の層を形成してもよい(請求項5)。
As another reflection control member, one containing at least a light scattering material is preferable from the viewpoint of durability in addition to the above. In the case where the light-absorbing material is contained, particularly when the energy of the incident light is high, heat is generated by the absorbed energy, and the reflection control member or a portion in contact therewith may be deteriorated. If the material contains a light scattering material, the incident energy diverges, so that there is no deterioration or the like, and the durability is improved. Specifically, a layer made of white fine particles such as titanium oxide, aluminum oxide, and barium sulfate or a polymer film containing them may be formed on the substrate. A light-transmitting layer may be further formed on such a layer or film (claim 5).

【0036】さらに別の反射制御部材として、少なくと
も全反射面と平行ではない角度に固定された反射面を有
するものであることが、よりS/N比を高くする観点か
ら好ましい。前記光吸収材料を含むものの場合、現実的
には光吸収率が100%ではないため、裏面で反射する
成分が若干漏れ光として観測される。また、光散乱材料
を含むものの場合、基本的に反射方向はランダムとなる
ため、やはり全反射方向への反射成分が漏れ光として観
測される。
As another reflection control member, it is preferable to have at least a reflection surface fixed at an angle which is not parallel to the total reflection surface from the viewpoint of further increasing the S / N ratio. In the case of a material containing the light absorbing material, since the light absorptance is not actually 100%, a component reflected on the back surface is slightly observed as leakage light. Further, in the case of a material containing a light scattering material, the reflection direction is basically random, so that the reflection component in the total reflection direction is also observed as leaked light.

【0037】全反射面と平行ではない角度に固定された
反射面を有するものであれば、透過光は該反射面で全反
射方向以外の方向に反射されるため、全反射方向への反
射成分を確実に除去することができ、S/N比を高くす
ることができる。また、この場合には全反射光をオフ信
号とし、全反射方向以外の方向への反射光をオン信号と
する構成をとることもできる。このような構成の場合、
全反射条件でない時に屈折率可変物質中への入射光の透
過率が100%とならない、言い換えると全反射方向へ
の反射成分が若干含まれていても、オン時の光強度がや
や減少するのみでS/N比の劣化は起こらないという利
点がある。上記の反射制御部材は、具体的には高反射率
を有する金属等を傾斜面を持つように加工したり、ガラ
ス、プラスチック、セラミックス等の低反射率材料を傾
斜面を持つように加工した後、傾斜面に高反射率の金属
膜を形成する、あるいはそのような構造体を基板上に形
成すればよい(請求項6)。
If the reflecting surface is fixed at an angle that is not parallel to the total reflecting surface, the transmitted light is reflected by the reflecting surface in a direction other than the total reflecting direction. Can be reliably removed, and the S / N ratio can be increased. In this case, it is also possible to adopt a configuration in which the totally reflected light is set as an off signal and the reflected light in a direction other than the total reflection direction is set as an on signal. In such a configuration,
When the condition is not the total reflection condition, the transmittance of the incident light into the variable refractive index material does not become 100%. In other words, even if the reflection component in the total reflection direction is slightly contained, the light intensity at ON only slightly decreases. This has the advantage that the S / N ratio does not deteriorate. The above-mentioned reflection control member, specifically, after processing a metal or the like having a high reflectivity to have an inclined surface, or after processing a material having a low reflectivity such as glass, plastic, or ceramics to have an inclined surface. Alternatively, a high-reflectance metal film may be formed on the inclined surface, or such a structure may be formed on the substrate (claim 6).

【0038】上記において、入射光が屈折率可変物質に
進入する際に導光部材の全反射面の法線とのなす角度を
θ2とすると、反射制御部材は、反射面と交わり、基板
面からの傾斜角が90°−θ2以下である他の面を有す
ることが好ましい。このようにすることによって反射面
の底辺から導光部材の全反射面までの距離を小さくする
ことができるので、屈折率可変物質に与えるエネルギー
(駆動エネルギー)を小さくすることができる(請求項
7)。
In the above description, assuming that the angle between the incident light and the normal line of the total reflection surface of the light guide member when entering the variable refractive index material is θ 2 , the reflection control member intersects the reflection surface, and the reflection control member intersects with the substrate surface. It is preferable to have another surface having an inclination angle of 90 ° -θ 2 or less. By doing so, the distance from the bottom of the reflection surface to the total reflection surface of the light guide member can be reduced, so that the energy (drive energy) applied to the variable refractive index material can be reduced. ).

【0039】さらに、屈折率可変物質に外部信号を印加
する単位要素(たとえば演算素子、画素など)に対し
て、反射制御部材の反射面が複数個設けられていること
が好ましい。このようにすることによって反射面領域の
底辺部から導光部材の全反射面までの距離をさらに小さ
くすることができるので、駆動エネルギーをより小さく
することができる(請求項8)。
Further, it is preferable that a plurality of reflection surfaces of a reflection control member are provided for a unit element (for example, an arithmetic element, a pixel, etc.) for applying an external signal to the variable refractive index substance. By doing so, the distance from the bottom of the reflection surface region to the total reflection surface of the light guide member can be further reduced, so that the driving energy can be further reduced (claim 8).

【0040】反射制御部材の反射面と屈折率可変物質と
の間に、少なくとも反射面を覆い上面が全反射面と概略
平行である層(以下平坦化層と呼ぶ)が設けられている
場合には、屈折率可変物質層の厚さをほぼ一定とするこ
とができ、その厚さは入射光の波長程度に薄くてよいの
で、駆動エネルギーを非常に小さくすることができる。
なお、この構成において、反射制御部材とは便宜上平坦
化層を含むものとする(請求項9)。
When a layer (hereinafter, referred to as a flattening layer) covering at least the reflection surface and having an upper surface substantially parallel to the total reflection surface is provided between the reflection surface of the reflection control member and the variable refractive index material. Since the thickness of the variable refractive index material layer can be made substantially constant, and the thickness can be as thin as the wavelength of the incident light, the driving energy can be extremely reduced.
In this configuration, the reflection control member includes a flattening layer for convenience (claim 9).

【0041】上記の各構成において、導光部材が、全反
射面となる面を有する平板導光体と入射面および出射面
を有する別の導光体とを光学的接合してなるものである
ことが製造の容易さから好ましい。この場合、平板導光
体と反射制御部材とこの間に狭持された屈折率可変物質
とによって構成されるデバイスを作製した後に、前記別
の導光体を光学的接触させればよいので、複雑な形状の
導光部材を用いてデバイスを作製するよりは格段に製造
が容易となる(請求項10)。
In each of the above structures, the light guide member is obtained by optically joining a flat light guide having a surface to be a total reflection surface and another light guide having an entrance surface and an exit surface. Is preferred from the viewpoint of ease of production. In this case, after manufacturing a device including a flat plate light guide, a reflection control member, and a variable refractive index material sandwiched therebetween, the another light guide may be brought into optical contact with the light guide. Manufacturing is much easier than manufacturing a device using a light guide member having a complicated shape (claim 10).

【0042】本発明の光スイッチング素子を一次元もし
くは二次元に配列することで空間光変調器を構成するこ
とができる。このような空間光変調器は構造が簡単で耐
久性が高く、応答速度が速いものとなる。一次元に配列
した空間光変調器は光スイッチング素子の配列方向に垂
直な方向に走査する走査機構を用いることで二次元の空
間光変調ができるが、一次元の空間光変調器は二次元の
空間光変調器に比べて安価であるため低コストとなる。
また、一次元に配列した空間光変調器そのものを走査機
構で走査することで、さらに小型で安価な空間光変調器
を構成することができる(請求項11、13、14)。
By arranging the optical switching elements of the present invention one-dimensionally or two-dimensionally, a spatial light modulator can be formed. Such a spatial light modulator has a simple structure, high durability, and a high response speed. A one-dimensional spatial light modulator can perform two-dimensional spatial light modulation by using a scanning mechanism that scans in the direction perpendicular to the arrangement direction of the optical switching elements. Since it is cheaper than the spatial light modulator, the cost is low.
Further, by scanning the spatial light modulators arranged one-dimensionally by the scanning mechanism, a more compact and inexpensive spatial light modulator can be configured (claims 11, 13 and 14).

【0043】上記二次元に配列した空間光変調器におい
て、導光部材の屈折率をn1とし、全反射面と出射面と
のなす内角をα、全反射面の法線とオン信号における反
射光線(出力光線)とのなす角をθとしたときに tanα={n1 2sin(α-θ)cos(α-θ)}/{1-n1 2sin2(α-θ)}…(2) をおおむね満足するαであるように設定されているのが
望ましい。このようにすることによって、出力信号の空
間的歪みを少なくすることができる(請求項12)。
In the two-dimensionally arranged spatial light modulator, the refractive index of the light guide member is n 1 , the internal angle between the total reflection surface and the emission surface is α, and the normal to the total reflection surface and the reflection in the ON signal. When the angle between the light and the output light is θ, tanα = {n 1 2 sin (α-θ) cos (α-θ)} / {1-n 1 2 sin 2 (α-θ)}… It is preferable that (2) is set so that α is approximately satisfied. By doing so, it is possible to reduce the spatial distortion of the output signal.

【0044】上記の空間光変調器と、光線入射手段およ
び空間光変調器により形成した画像をスクリーンに拡大
投影する手段を設けることにより、表示容量が大きく、
小型で安価な画像表示装置を構成することができる(請
求項15、16、17)。
By providing the above-mentioned spatial light modulator, a light beam incident means and a means for enlarging and projecting an image formed by the spatial light modulator on a screen, the display capacity is large,
A small and inexpensive image display device can be configured (claims 15, 16, and 17).

【0045】(実施の形態)図1は、本発明の第1の実
施形態を説明するための図である。光学的に透明な導光
部材11は、光源からの光線を入射させる入射面12、
光線を全反射させる全反射面13、全反射した光線を導
光部材11の外部へと出射させる出射面14を有してい
る。図1(A)は上述の式(1)を満たす場合の状態を
説明する図で、入射光は全反射面13で全反射し出射面
14より出射する。図1(B)は外部信号(例えば電
圧)の印加によって、屈折率可変物質15の屈折率が変
化(増加)して、式(1)を満たさなくなった場合の状
態を説明する図で、入射光は全反射せず、一部もしくは
ほぼ全部が反射制御部材16に到達する。反射制御部材
16に到達した光は吸収、散乱または反射方向を変化さ
せられることにより、全反射方向へは出射しない。これ
により、出射面14からの光出力を変調することができ
る。
(Embodiment) FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention. The optically transparent light guide member 11 has an incident surface 12 on which light from a light source is incident,
It has a total reflection surface 13 for totally reflecting light rays, and an emission surface 14 for emitting totally reflected light rays to the outside of the light guide member 11. FIG. 1A is a diagram for explaining a state in which the above-described expression (1) is satisfied. The incident light is totally reflected by the total reflection surface 13 and is emitted from the emission surface 14. FIG. 1B is a view for explaining a state in which the refractive index of the refractive index variable substance 15 changes (increases) due to the application of an external signal (for example, a voltage) and does not satisfy Expression (1). Light does not undergo total reflection, and part or almost all reaches the reflection control member 16. The light that has reached the reflection control member 16 is not emitted in the total reflection direction because the absorption, scattering, or reflection direction is changed. Thereby, the light output from the emission surface 14 can be modulated.

【0046】全反射面13と入射面12とのなす内角を
β、全反射面13と出射面14とのなす内角をαとす
る。βの値は特に限定はされないが、入射面での反射損
失を小さくする点からは入射角θ1に近い値にするのが
好ましい。αはβと等しくても良いし、異なっていても
構わないが、入射面12から入射した入射光が全反射面
13で全反射したときに、出射面14で全反射すること
なく導光部材11から出射する条件を満足しなければな
らない。また、入射面12および出射面14には反射防
止コートがなされていることが望ましい。
The internal angle between the total reflection surface 13 and the entrance surface 12 is β, and the internal angle between the total reflection surface 13 and the exit surface 14 is α. The value of β is not particularly limited, but is preferably a value close to the incident angle θ 1 from the viewpoint of reducing the reflection loss at the incident surface. α may be equal to or different from β. However, when the incident light incident from the incident surface 12 is totally reflected by the total reflection surface 13, the light guide member is not totally reflected by the emission surface 14. 11 must be satisfied. Further, it is desirable that the entrance surface 12 and the exit surface 14 are provided with an antireflection coat.

【0047】導光部材11は入射光に対して透過率の高
いガラスやプラスチックや結晶で作られ、内部の屈折率
のばらつきが小さく等方的な材料を用いることが望まし
い。具体的にはガラスとしてはフリントガラス、重フリ
ントガラス、クラウンガラス、重クラウンガラス、軽ク
ラウンガラス、硼硅クラウンガラス、石英ガラスなどが
挙げられ、プラスチックとしてはポリカーボネイト、ポ
リアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチルなどが挙
げられる。導光部材11の全反射面に対向して反射制御
部材16が設けられ、両者の間に屈折率可変物質15が
狭持されている。
It is desirable that the light guide member 11 is made of glass, plastic, or crystal having a high transmittance with respect to incident light, and is made of an isotropic material having a small internal refractive index variation. Specific examples of the glass include flint glass, heavy flint glass, crown glass, heavy crown glass, light crown glass, borosilicate glass, quartz glass, and the like, and plastics such as polycarbonate, polymethyl acrylate, and polymethacrylic acid. Methyl and the like. A reflection control member 16 is provided so as to face the total reflection surface of the light guide member 11, and a variable refractive index substance 15 is held between the two.

【0048】本発明の屈折率可変物質15は液晶材料を
高分子マトリクス中に分散保持した液晶/高分子複合体
であり、より具体的には液晶ドロップレット15aをポ
リマー15b中に分散した高分子分散液晶である。この
層の厚さは最も薄い部分において全反射時のエバネッセ
ント波が反射制御部材16に到達しない大きさであるこ
とが望ましく、少なくとも入射光の波長の1/2以上、
好ましくは入射光の波長以上とされる。以下に高分子分
散液晶についてさらに詳しく述べる。
The refractive index variable substance 15 of the present invention is a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix, and more specifically, a polymer in which a liquid crystal droplet 15a is dispersed in a polymer 15b. It is a dispersed liquid crystal. It is desirable that the thickness of this layer is such that the evanescent wave at the time of total reflection does not reach the reflection control member 16 at the thinnest portion, and at least 1 / or more of the wavelength of the incident light.
Preferably, it is longer than the wavelength of the incident light. Hereinafter, the polymer dispersed liquid crystal will be described in more detail.

【0049】液晶材料としてはネマティック液晶、スメ
クティック液晶、コレステリック液晶等を用いることが
でき、単一もしくは2種類以上の液晶性化合物や液晶性
化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。高分
子マトリクス材料としては透明なポリマーが好ましく、
熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれで
あってもよい。高分子分散液晶の製法としては、(1)
液晶と熱あるいは光硬化(重合)性モノマーやオリゴマ
ーもしくはプレポリマーで溶液を作り、重合によって相
分離させる重合相分離法、(2)液晶と高分子と溶剤で
溶液を作り、溶剤を蒸発させることによって相分離させ
る溶媒蒸発相分離法、(3)液晶と熱可塑性高分子を加
熱溶解させた後、冷却によって相分離させる熱相分離法
などを用いることができる。
As the liquid crystal material, a nematic liquid crystal, a smectic liquid crystal, a cholesteric liquid crystal, or the like can be used, and a single or two or more liquid crystal compounds or a mixture containing a substance other than the liquid crystal compound may be used. A transparent polymer is preferable as the polymer matrix material,
Any of a thermoplastic resin, a thermosetting resin, and a photocurable resin may be used. The method for producing a polymer-dispersed liquid crystal is described in (1)
Polymerization phase separation method in which a solution is formed from liquid crystal and a heat or photocurable (polymerizable) monomer, oligomer, or prepolymer, and phase separation is performed by polymerization. (2) A solution is formed from a liquid crystal, a polymer, and a solvent, and the solvent is evaporated. And (3) a thermal phase separation method in which a liquid crystal and a thermoplastic polymer are heated and dissolved, and then phase-separated by cooling.

【0050】ポリマーとしては、製造工程の容易さ、液
晶相との分離性等の点から紫外線硬化型の樹脂を用いる
のが好ましい。具体的な例として紫外線硬化性アクリル
系樹脂が例示され、特に紫外線照射によって重合硬化す
るアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するも
のが好ましい。このようなモノマーまたはオリゴマーと
しては(ポリ)エステルアクリレート、(ポリ)ウレタ
ンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリブタジエ
ンアクリレート、シリコーンアクリレート、メラミンア
クリレート、(ポリ)ホスファゼンメタクリレート等が
ある。その他の例として、チオール−エン系も光硬化速
度が速いことから好適に使用できる。
As the polymer, it is preferable to use an ultraviolet-curable resin in view of easiness of the production process, separation from the liquid crystal phase, and the like. As a specific example, an ultraviolet curable acrylic resin is exemplified, and a resin containing an acrylic monomer or acrylic oligomer which is polymerized and cured by irradiation with ultraviolet light is particularly preferable. Examples of such a monomer or oligomer include (poly) ester acrylate, (poly) urethane acrylate, epoxy acrylate, polybutadiene acrylate, silicone acrylate, melamine acrylate, and (poly) phosphazene methacrylate. As another example, a thiol-ene system can be suitably used because of its high photocuring speed.

【0051】重合を速やかに行うために光重合開始剤を
用いてもよく、この例としてジクロロアセトフェノンや
トリクロロアセトフェノン等のアセトフェノン類、1−
ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンゾフェ
ノン、ミヒラーケトン、ベンゾイル、ベンゾインアルキ
ルエーテル、ベンジルジメチルケタール、モノサルファ
イド、チオキサントン類、アゾ化合物、ジアリルヨード
ニウム塩、トリアリルスルフォニウム塩、ビス(トリク
ロロメチル)トリアジン化合物等を挙げることができ
る。
A photopolymerization initiator may be used to carry out the polymerization promptly. Examples thereof include acetophenones such as dichloroacetophenone and trichloroacetophenone;
Hydroxycyclohexyl phenyl ketone, benzophenone, Michler's ketone, benzoyl, benzoin alkyl ether, benzyldimethyl ketal, monosulfide, thioxanthones, azo compounds, diallyliodonium salts, triallylsulfonium salts, bis (trichloromethyl) triazine compounds and the like. Can be.

【0052】この紫外線硬化性化合物中に液晶材料を均
一に溶解させた液状物を反射制御部材16と導光部材1
1の間に注入した後、紫外線照射を行うことによって紫
外線硬化性化合物を硬化させると同時に液晶材料を相分
離させ、高分子分散液晶層(屈折率可変物質15)を形
成する。通常、この状態では液晶ドロップレット15a
ごとに液晶分子15cの配向方向が異なっている(図1
(A))が、電界を印加することによって、全ての液晶
分子がほぼ電界方向に整列する(図1(B))。液晶の
屈折率は分子軸に平行な方向と垂直な方向とで大きさが
異なるため、図1(A)の状態と図1(B)の状態とで
層全体の平均的な屈折率に違いが生じる。
A liquid material obtained by uniformly dissolving a liquid crystal material in the ultraviolet curable compound is applied to the reflection control member 16 and the light guide member 1.
After the injection, a UV-curable compound is cured by irradiation with UV light, and at the same time, the liquid crystal material is phase-separated to form a polymer-dispersed liquid crystal layer (variable refractive index substance 15). Usually, in this state, the liquid crystal droplet 15a
The orientation direction of the liquid crystal molecules 15c is different for each (see FIG. 1).
(A), however, by applying an electric field, all the liquid crystal molecules are almost aligned in the direction of the electric field (FIG. 1 (B)). Since the refractive index of the liquid crystal is different between the direction parallel to the molecular axis and the direction perpendicular to the molecular axis, the average refractive index of the entire layer differs between the state shown in FIG. 1A and the state shown in FIG. Occurs.

【0053】具体的な高分子分散液晶の例として、ネマ
ティック液晶E7(常光屈折率no=1.522,異常
光屈折率ne=1.746)を紫外線硬化性プレポリマ
ーNOA60(ノーランド社)に溶解(液晶重量濃度3
5%)し、紫外線(400mW/cm2)を照射したも
の(液晶ドロップレットの平均粒径は約60nm)を用
いた場合、図1(A)の時には液晶分子の配向したドロ
ップレット15aの向きがランダムであるため、層全体
が光学的に等方な媒体になっており、その屈折率はほぼ
液晶の平均屈折率(≒(2no+ne)/3≒1.6
0)と高分子マトリクスの屈折率(≒1.56)との体
積平均(≒1.57)と見なすことができる。なお、こ
の場合予め配向処理を行っていない。導光部材11をフ
リントガラスSF2(nd=1.648)とし、入射角
θ1=75°に設定すると、式(1)を満たすので入射
光は全反射する。図1(B)の時には液晶分子が電界方
向に配列する。入射光をP偏光(電場ベクトルが入射面
に平行な直線偏光)とすると、P偏光に対する液晶の屈
折率はno・ne/(no2sin2θ1+ne2cos2
θ11/2=1.723となるので、層全体の屈折率は高
分子マトリクスの屈折率(≒1.56)との体積平均
(≒1.62)とみなすことができる。この時、式
(1)を満たさないので、入射光は全反射せず、大部分
が反射制御部材16に到達する。
As a specific example of a polymer-dispersed liquid crystal, a nematic liquid crystal E7 (ordinary refractive index no = 1.522, extraordinary refractive index ne = 1.746) is dissolved in an ultraviolet curable prepolymer NOA60 (Norland). (Liquid crystal weight concentration 3
5%) and ultraviolet rays (400 mW / cm 2) (the average particle diameter of the liquid crystal droplet is about 60 nm) is used. In the case of FIG. Since the layer is random, the entire layer is an optically isotropic medium, and its refractive index is almost equal to the average refractive index of liquid crystal (≒ (2no + ne) /3≒1.6).
0) and the refractive index (≒ 1.56) of the polymer matrix can be regarded as the volume average (≒ 1.57). Note that, in this case, no orientation treatment was performed in advance. When the light guide member 11 is made of flint glass SF2 (nd = 1.648) and the incident angle θ1 is set to 75 °, the incident light is totally reflected since the formula (1) is satisfied. In the case of FIG. 1B, the liquid crystal molecules are arranged in the direction of the electric field. Assuming that the incident light is P-polarized light (linearly polarized light whose electric field vector is parallel to the plane of incidence), the refractive index of the liquid crystal with respect to P-polarized light is no · ne / (no 2 sin 2 θ 1 + ne 2 cos 2).
Since θ 1 ) 1/2 = 1.723, the refractive index of the entire layer can be regarded as a volume average (≒ 1.62) of the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.56). At this time, since the expression (1) is not satisfied, the incident light is not totally reflected and most of the light reaches the reflection control member 16.

【0054】高分子分散液晶における液晶ドロップレッ
ト15aの大きさは、プレポリマーの組成、液晶の混合
濃度、硬化時の紫外線強度等を変えることによって変化
させることができる。図2は液晶ドロップレットサイズ
と応答速度との関係を示した図である。液晶材料とし
て、E7およびBL24(メルク社)、プレポリマーと
して、NOA60,65および81(ノーランド社)を
適宜用いた。応答速度の測定は図3に示す装置を用い
て、試料24にパルス電圧(200V)を印加した時の
光出力の立ち上がり時間(Ton)と立ち下がり時間
(Toff)の合計を測定した。図3において、21は
レーザ、22は偏光子、23はレンズ、24は試料、2
5はAu電極、26は高分子分散液晶層、27はSi基
板、28はレンズ、29は検光子、30はパワーメータ
である。なお、試料24は高分子分散液晶層26の厚さ
を20μm、光路長を1mmとした。高分子分散液晶層
26に電界が印加されていない時と印加されている時の
様子を図4に模式的に示す。電界が印加されていない時
には、図4(A)に示すように液晶ドロップレット15
aの向きはランダムであるので、x軸、y軸、z軸方向
の屈折率はどれも等しく、層全体が光学的に等方な媒体
になっている。z方向に電界を印加すると、図4(B)
に示すように液晶分子の分子軸がこの方向にそろうた
め、z軸方向の屈折率は大きくなり、x軸およびy軸方
向の屈折率はお互いに等しいまま、その大きさが小さく
なる。図3のように光が電界方向とは垂直のx方向から
入射される場合、yz平面に複屈折が生じるために偏光
状態を変化させることができ、検光子を通した光出力が
変化する。本発明ではこのような複屈折現象は利用しな
いが、電界印加時の液晶分子の挙動とそれに伴う屈折率
変化を利用するので、図2の応答速度は本発明において
も同様に適用できる。図2から液晶ドロップレットサイ
ズが小さくなるにつれて応答速度が速くなることがわか
る。
The size of the liquid crystal droplet 15a in the polymer-dispersed liquid crystal can be changed by changing the composition of the prepolymer, the mixed concentration of the liquid crystal, the intensity of ultraviolet light at the time of curing, and the like. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the liquid crystal droplet size and the response speed. E7 and BL24 (Merck) and NOA60, 65 and 81 (Norland) were used as liquid crystal materials and prepolymers as appropriate. The response speed was measured by using the apparatus shown in FIG. 3 and measuring the total of the rise time (Ton) and the fall time (Toff) of the light output when a pulse voltage (200 V) was applied to the sample 24. In FIG. 3, 21 is a laser, 22 is a polarizer, 23 is a lens, 24 is a sample, 2
5 is an Au electrode, 26 is a polymer dispersed liquid crystal layer, 27 is a Si substrate, 28 is a lens, 29 is an analyzer, and 30 is a power meter. In Sample 24, the thickness of the polymer-dispersed liquid crystal layer 26 was 20 μm, and the optical path length was 1 mm. FIG. 4 schematically shows a state where an electric field is not applied to the polymer-dispersed liquid crystal layer 26 and a state where the electric field is applied. When no electric field is applied, as shown in FIG.
Since the direction of a is random, the refractive indices in the x-axis, y-axis, and z-axis directions are all equal, and the entire layer is an optically isotropic medium. When an electric field is applied in the z direction, FIG.
As shown in (2), since the molecular axes of the liquid crystal molecules are aligned in this direction, the refractive index in the z-axis direction increases, while the refractive indices in the x-axis and y-axis directions are equal to each other, and the size decreases. When light is incident from the x direction perpendicular to the direction of the electric field as shown in FIG. 3, birefringence occurs in the yz plane, so that the polarization state can be changed, and the light output through the analyzer changes. In the present invention, such a birefringence phenomenon is not used. However, since the behavior of liquid crystal molecules when an electric field is applied and a change in the refractive index associated therewith are used, the response speed shown in FIG. 2 can be similarly applied to the present invention. FIG. 2 shows that the response speed increases as the size of the liquid crystal droplet decreases.

【0055】さらには、液晶ドロップレットの粒径を入
射光の波長の1/5以下、より望ましくは1/10以下
にすることが光透過率の観点から好ましい。以下にレイ
リー散乱理論から光透過率を計算した結果を示す。体積
Vの球形散乱体が数密度Nで存在する場合、厚さLの媒
体の光透過率Tは下記式(3)のように表される。T=ex
p(-NRL),R=24π3((m2-1)/(m2+2))2V24 …(3)こ
こで、Rは散乱断面積、mは散乱体の屈折率と媒体の屈
折率の比、λは使用する光の波長である。m=1.0
7、L=100μmとした時の透過率Tを散乱体すなわ
ち液晶ドロップレットの粒径d、体積分率(=NV)お
よび波長λをパラメータとして計算した。式からわかる
ようにdが大きくなる(すなわちVが大きくなる)ほ
ど、またλが小さくなるほどTが減少する。また、透過
率としては、90%(T=0.9)以上であることが光
利用効率の点から好ましい。図5はT=0.9となる粒
径を体積分率が10%(d(0.1))、30%(d
(0.3))および50%(d(0.5))の場合につい
て、波長に対してプロットしたものである。体積分率が
小さいと屈折率変化量が小さくS/N比がとれなくなる
ので、体積分率は10%以上が好ましく、30〜50%
程度がより好ましい。これ以上の体積分率では作製が極
めて困難になる。この観点から、図5より、光スイッチ
ング素子として適用される可視〜赤外領域の波長に対し
ては、dがλ/5以下であるのが好ましく(d(0.
1)の時)、λ/10以下であることがより好ましい
(d(0.5)の時)ことがわかる。なお、この計算で
はmおよびLを固定したが、実デバイスにおいてはこれ
より小さい値であると考えられるため、上記の粒径範囲
であれば問題はない。
Further, it is preferable from the viewpoint of light transmittance that the particle diameter of the liquid crystal droplet is set to 1/5 or less, more preferably 1/10 or less of the wavelength of the incident light. The result of calculating the light transmittance from the Rayleigh scattering theory is shown below. When a spherical scatterer having a volume V exists at a number density N, the light transmittance T of a medium having a thickness L is expressed by the following equation (3). T = ex
p (-NRL), R = 24π 3 ((m 2 -1) / (m 2 +2)) 2 V 2 / λ 4 ... (3) where, R represents the refraction of the scattering cross section, m is the scatterer The ratio of the index to the refractive index of the medium, λ, is the wavelength of the light used. m = 1.0
7. The transmittance T when L = 100 μm was calculated using the particle size d, volume fraction (= NV) and wavelength λ of the scatterer, ie, liquid crystal droplet, as parameters. As can be seen from the equation, T decreases as d increases (ie, V increases) and λ decreases. The transmittance is preferably 90% (T = 0.9) or more from the viewpoint of light use efficiency. FIG. 5 shows that the particle size at which T = 0.9 has a volume fraction of 10% (d (0.1)) and 30% (d
(0.3)) and 50% (d (0.5)). If the volume fraction is small, the amount of change in the refractive index is small and the S / N ratio cannot be obtained, so the volume fraction is preferably 10% or more, and 30 to 50%.
The degree is more preferred. At a volume fraction higher than this, fabrication becomes extremely difficult. From this viewpoint, as shown in FIG. 5, it is preferable that d is λ / 5 or less for a wavelength in the visible to infrared region applied as an optical switching element (d (0.
1)), it is more preferable that it is λ / 10 or less (d (0.5)). In this calculation, m and L are fixed. However, in an actual device, it is considered that the values are smaller than the above values.

【0056】図6は、本発明の第2の実施形態を説明す
るための図である。電圧無印加時(図6(A)の時)
に、ドロップレット中の全ての液晶分子が概略一方向に
配列している以外は第1の実施形態と同様の構成であ
る。この配列方向は電圧印加時(図6(B)の時)に液
晶分子が揃う方向(電界方向)とほぼ直交し、導光部材
の全反射面13に対して水平で紙面に垂直な方向にする
のがよい。こうすることにより、大きな屈折率差が得ら
れるため、同じ入射角に対して、外部信号印加時の屈折
率可変物質中への光透過率を大きくすることができ、高
いS/N比を得ることができる。具体的には第1の実施
形態と同様の材料および処方の高分子分散液晶を用いた
場合、入射光をP偏光とすると、図6(A)の時に高分
子分散液晶層(屈折率可変物質15)の屈折率は液晶の
屈折率(=no・ne/(no2cos2θ1+ne2si
2θ11/2=1.534)と高分子マトリクスの屈折率
(≒1.56)との体積平均(≒1.55)と見なすこと
ができる。導光部材11をフリントガラスF2(nd=
1.620)とし、入射角θ1=75°に設定すると、式
(1)を満たすので入射光は全反射する。図6(B)の
時には液晶分子が電界方向に配列する。入射光をP偏光
とすると、P偏光に対する液晶の屈折率はno・ne/
(no2sin2θ1+ne2cos2θ11/2=1.723
となるので、層全体の屈折率は高分子マトリクスの屈折
率(≒1.56)との体積平均(≒1.62)と見なすこ
とができる。この時、式(1)を満たさないので、入射
光は全反射せず、かつ導光部材の屈折率と屈折率可変物
質15の層の屈折率がほぼ等しくなるため、界面反射を
ほとんど起こさず、反射制御部材16に到達する。この
結果は、電圧無印加時(図6(A)の時)に屈折率可変
物質15の層の屈折率が第1の実施形態に比べて小さく
なったために、同じ入射角に対して、式(1)を満たす
ための導光部材11の屈折率を小さく設定することがで
きたことによる。逆に第1の実施形態と同じ材質(屈折
率)の導光部材11を用いた場合には、入射角をより小
さく(例えばθ1=72°に)することができるため設
計の余裕度が増す。さらにはこの場合も第1の実施形態
に比べて界面反射が減少する。
FIG. 6 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention. When no voltage is applied (FIG. 6A)
The configuration is the same as that of the first embodiment except that all liquid crystal molecules in the droplet are arranged in substantially one direction. This arrangement direction is substantially perpendicular to the direction in which the liquid crystal molecules are aligned (the direction of the electric field) when a voltage is applied (in the case of FIG. 6B), and is horizontal to the total reflection surface 13 of the light guide member and perpendicular to the paper. Good to do. By doing so, a large refractive index difference can be obtained, so that the light transmittance into the variable refractive index material when an external signal is applied can be increased for the same incident angle, and a high S / N ratio can be obtained. be able to. Specifically, when a polymer-dispersed liquid crystal of the same material and formulation as in the first embodiment is used, and the incident light is P-polarized light, the polymer-dispersed liquid crystal layer (a refractive index variable substance) shown in FIG. The refractive index of (15) is the refractive index of the liquid crystal (= no · ne / (no 2 cos 2 θ 1 + ne 2 si)
n 2 θ 1 ) 1/2 = 1.534) and the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.56) can be regarded as the volume average (≒ 1.55). The light guide member 11 is made of a flint glass F2 (nd =
1.620) and setting the incident angle θ 1 = 75 ° satisfies the expression (1), so that the incident light is totally reflected. In the case of FIG. 6B, the liquid crystal molecules are arranged in the direction of the electric field. When the incident light is P-polarized light, the refractive index of the liquid crystal with respect to P-polarized light is no · ne /
(No 2 sin 2 θ 1 + ne 2 cos 2 θ 1 ) 1/2 = 1.723
Therefore, the refractive index of the entire layer can be regarded as a volume average (≒ 1.62) of the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.56). At this time, since the expression (1) is not satisfied, the incident light is not totally reflected, and the refractive index of the light guide member and the refractive index of the layer of the refractive index variable substance 15 are almost equal, so that the interface reflection hardly occurs. , Reaches the reflection control member 16. This result is because the refractive index of the layer of the refractive index variable substance 15 when no voltage is applied (in the case of FIG. 6A) is smaller than that in the first embodiment, and therefore, for the same incident angle, the expression This is because the refractive index of the light guide member 11 for satisfying (1) can be set small. Conversely, when the light guide member 11 having the same material (refractive index) as that of the first embodiment is used, the angle of incidence can be made smaller (for example, θ 1 = 72 °), so that there is a design margin. Increase. Further, also in this case, the interface reflection is reduced as compared with the first embodiment.

【0057】液晶分子をあらかじめ一方向に配列させる
手段として、配向膜を用いる方法が例示できる。配向膜
の作製方法としては、ポリビニルアルコール、ポリイミ
ド等の有機高分子膜表面を、液晶分子の長軸を配向させ
たい方向に綿布やブラシなどで数回こする(ラビング処
理する)ラビング法、SiOなどの無機物を斜めから蒸
着する斜方蒸着法、エッチングその他でグレーティング
を形成する方法など既存の様々な方法を用いることがで
きる。配向膜は屈折率可変物質を挟持する表面、すなわ
ち導光部材11の全反射面13の最表面および反射制御
部材16の最表面に設けられる(図示せず)。
As a means for previously aligning the liquid crystal molecules in one direction, a method using an alignment film can be exemplified. As a method for forming an alignment film, a rubbing method in which the surface of an organic polymer film such as polyvinyl alcohol or polyimide is rubbed (rubbed) several times with a cotton cloth or a brush in a direction in which the long axis of liquid crystal molecules is to be aligned, Various existing methods can be used, such as an oblique evaporation method of obliquely evaporating an inorganic substance such as a method, a method of forming a grating by etching or the like. The alignment film is provided on the surface holding the variable refractive index material, that is, the outermost surface of the total reflection surface 13 of the light guide member 11 and the outermost surface of the reflection control member 16 (not shown).

【0058】液晶分子をあらかじめ一方向に配列させる
別の手段として、以下に示すような方法を用いることも
可能である。高分子マトリクス材料を重合する際に電界
を印加することで、液晶を一方向に配向することができ
る。この時、液晶に接しているプレポリマーは液晶の配
向に引きずられて同じ方向に配向する。この状態でプレ
ポリマーを重合すると液晶との界面は液晶の配向に倣っ
た形で固定される。この界面構造は液晶に対して配向膜
として機能するため、高分子マトリクス材料が硬化した
後に電界を解除しても、液晶は重合時に印加していた電
界方向に揃うことになる。
As another means for arranging the liquid crystal molecules in one direction in advance, the following method can be used. By applying an electric field when polymerizing the polymer matrix material, the liquid crystal can be aligned in one direction. At this time, the prepolymer in contact with the liquid crystal is dragged by the alignment of the liquid crystal and is aligned in the same direction. When the prepolymer is polymerized in this state, the interface with the liquid crystal is fixed in a form following the orientation of the liquid crystal. Since this interface structure functions as an alignment film for the liquid crystal, even if the electric field is released after the polymer matrix material is cured, the liquid crystal is aligned in the direction of the electric field applied during polymerization.

【0059】図7は、本発明の第3の実施形態を説明す
るための図である。図7(A)は電圧が印加されていな
い時の状態、図7(B)は電圧が印加された時の状態を
表している。屈折率可変物質15は高分子分散液晶で、
第1の実施形態と同じものを用いている。導光部材11
はフリントガラスSF2(n1=1.645 at 63
3nm)で、入射光はHe−Neレーザ光源を用いてP
偏光とし、全反射面13への入射角θ1=75°で入射
している。31bおよび31aはITOからなる透明電
極で、反射制御部材16はカーボンブラックをアクリル
樹脂に分散したものを用いている。35はエポキシ樹脂
等からなるシール剤である。作製工程の一例を示せば、
導光部材(もしくは反射制御部材)11の周辺部に熱硬
化性のエポキシ樹脂(必要に応じてギャップ保持用のビ
ーズ等を混合してもよい)を一部に開口部(注入孔)を
残して印刷した後、反射制御部材16(もしくは導光部
材11)を貼り合わせて加熱硬化する。液晶材料E7を
プレポリマーNOA60に溶解させた液状物を注入孔か
ら注入した後、紫外線を照射して硬化させ、孔を接着剤
で塞げば完成する。
FIG. 7 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention. FIG. 7A shows a state when no voltage is applied, and FIG. 7B shows a state when a voltage is applied. The refractive index variable substance 15 is a polymer dispersed liquid crystal,
The same one as in the first embodiment is used. Light guide member 11
Is flint glass SF2 (n 1 = 1.645 at 63)
3 nm) and the incident light is P using a He-Ne laser light source.
The light is polarized and is incident on the total reflection surface 13 at an incident angle θ 1 = 75 °. Reference numerals 31b and 31a denote transparent electrodes made of ITO, and the reflection control member 16 uses carbon black dispersed in an acrylic resin. Reference numeral 35 denotes a sealant made of an epoxy resin or the like. If you show an example of the manufacturing process,
An opening (injection hole) is left partially in the periphery of the light guide member (or the reflection control member) 11 with a thermosetting epoxy resin (beads or the like for maintaining a gap may be mixed if necessary). After printing, the reflection control member 16 (or the light guide member 11) is attached and cured by heating. A liquid material obtained by dissolving the liquid crystal material E7 in the prepolymer NOA 60 is injected through an injection hole, cured by irradiating ultraviolet rays, and completed by closing the hole with an adhesive.

【0060】第1の実施形態と同様に、高分子分散液晶
に電圧が印加されない時(図7(A)の時)は液晶ドロ
ップレット15aの向きがランダムであるため、層全体
の屈折率はほぼ液晶の平均屈折率(≒(2no+ne)
/3≒1.60)と高分子マトリクスの屈折率(≒1.5
6)との体積平均(≒1.57)と見なすことができ
る。この場合には式(1)を満たすので入射光は全反射
して出射面14から出射する。この時漏洩するエバネッ
セント波が反射制御部材16に到達しないようにするた
めには高分子分散液晶層(屈折率可変物質15)の厚さ
を0.6μm程度以上とするのが好ましい。高分子分散
液晶に電圧を印加した時(図8(B)の時)には液晶分
子が電界方向に配列し、P偏光に対する液晶の屈折率は
no・ne/(no2sin2θ1+ne2cos2θ1
1/2=1.723となるので、層全体の屈折率は高分子マ
トリクスの屈折率(≒1.56)との体積平均(≒1.6
2)とみなすことができる。この時、式(1)を満たさ
ないので、入射光は全反射せず、大部分が反射制御部材
16に到達し、吸収される。なお、反射制御部材16と
して酸化チタン微粒子をアクリル樹脂に分散したもの
(光散乱材)を用いても同様に機能する。
As in the first embodiment, when no voltage is applied to the polymer-dispersed liquid crystal (at the time of FIG. 7A), the orientation of the liquid crystal droplet 15a is random, so that the refractive index of the entire layer is Almost the average refractive index of liquid crystal (≒ (2no + ne)
/3≒1.60) and the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.5
6) and the volume average (≒ 1.57). In this case, since the expression (1) is satisfied, the incident light is totally reflected and exits from the exit surface 14. At this time, in order to prevent the evanescent wave leaking from reaching the reflection control member 16, it is preferable that the thickness of the polymer dispersed liquid crystal layer (refractive index variable substance 15) be about 0.6 μm or more. When a voltage is applied to the polymer-dispersed liquid crystal (in the case of FIG. 8B), the liquid crystal molecules are arranged in the direction of the electric field, and the refractive index of the liquid crystal with respect to P-polarized light is no · ne / (no 2 sin 2 θ 1 + ne). 2 cos 2 θ 1 )
Since 1/2 = 1.723, the refractive index of the entire layer is the volume average (≒ 1.6) of the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.56).
2) can be considered. At this time, since the expression (1) is not satisfied, the incident light is not totally reflected, but mostly reaches the reflection control member 16 and is absorbed. In addition, the same function can be obtained by using a material in which titanium oxide fine particles are dispersed in an acrylic resin (light scattering material) as the reflection control member 16.

【0061】図8は、本発明の第4の実施形態を説明す
るための図である。図8(A)は電圧が印加されていな
い時の状態で、第2の実施形態のように予め液晶分子が
一方向に配向している。また図8(B)は電圧が印加さ
れた時の状態を表している。反射制御部材16はSi、
ガラス等からなる基板34上にガラス、プラスチックま
たは酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等
のセラミックス等からなる絶縁体33で傾斜面を形成し
た後、傾斜面にAl、Ag等からなる高反射率の反射膜
32を真空蒸着、スパッタリング等の公知の方法で形成
して得ることができる。また、必要に応じてフォトリソ
エッチングによりパターンニングしてもよい。この反射
膜32は電極としても作用する。基板34には反射膜3
2に信号電圧を印加するための駆動素子等を形成するの
が望ましい。反射制御部材16としては、絶縁体33が
基板34を兼ねる構成や金属板を基板として直接傾斜面
を形成する構成等も可能である。好適な傾斜面形成方法
の一例を挙げれば、面積階調もしくは濃度諧調のパター
ンを形成したフォトマスクを用いてパターンニングして
ドライエッチングを行う異方性エッチング法がある。導
光部材11はフリントガラスF2(n1=1.617 a
t 633nm)で、入射光はHe−Neレーザ光源を
用いてS偏光(電場ベクトルが入射面に垂直な直線偏
光)とし、全反射面13への入射角θ1=75°で入射
している。高分子分散液晶に電圧が印加されない時(図
8(A)の時)は、S偏光に対する液晶の屈折率はne
=1.746となるので、層全体の屈折率は高分子マト
リクスの屈折率(≒1.56)との体積平均(≒1.6
3)と見なすことができる。この場合には式(1)を満
たさないので入射光は全反射せず、大部分が反射制御部
材16に到達し、反射膜32によって方向を変えられ
る。その方向に出射面を設ければ光が出射する。この出
射面は全反射光を取り出す面(出射面14)と同一でも
よいが、図8のように第2の出射面36として別に設け
てもよい。
FIG. 8 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a state in which no voltage is applied, and the liquid crystal molecules are aligned in one direction in advance as in the second embodiment. FIG. 8B shows a state when a voltage is applied. The reflection control member 16 is Si,
After forming an inclined surface on a substrate 34 made of glass or the like with an insulator 33 made of glass, plastic or ceramics such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or the like, the inclined surface is made of Al, Ag, or the like having a high reflectance. The reflection film 32 can be obtained by forming by a known method such as vacuum evaporation and sputtering. Moreover, you may pattern by photolitho etching as needed. This reflection film 32 also functions as an electrode. The reflection film 3 is formed on the substrate 34.
It is desirable to form a driving element or the like for applying a signal voltage to 2. As the reflection control member 16, a configuration in which the insulator 33 also serves as the substrate 34, a configuration in which an inclined surface is directly formed using a metal plate as a substrate, and the like are possible. As an example of a suitable inclined surface forming method, there is an anisotropic etching method in which patterning is performed using a photomask in which a pattern of area gradation or density gradation is formed and dry etching is performed. The light guide member 11 is made of a flint glass F2 (n 1 = 1.617 a).
At t 633 nm), the incident light is converted into S-polarized light (linearly polarized light whose electric field vector is perpendicular to the plane of incidence) using a He-Ne laser light source, and is incident on the total reflection plane 13 at an incident angle θ 1 = 75 °. . When no voltage is applied to the polymer-dispersed liquid crystal (FIG. 8A), the refractive index of the liquid crystal with respect to S-polarized light is ne.
= 1.746, the refractive index of the entire layer is the volume average (≒ 1.6) of the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.56).
3) can be considered. In this case, since the expression (1) is not satisfied, the incident light is not totally reflected, and most of the light reaches the reflection control member 16 and the direction is changed by the reflection film 32. If an emission surface is provided in that direction, light is emitted. This emission surface may be the same as the surface from which the total reflected light is extracted (the emission surface 14), or may be separately provided as the second emission surface 36 as shown in FIG.

【0062】高分子分散液晶に電圧を印加した時(図8
(B)の時)には液晶分子が電界方向に配列し、S偏光
に対する液晶の屈折率はno=1.522となるので、
層全体の屈折率は高分子マトリクスの屈折率(≒1.5
6)との体積平均(≒1.55)と見なすことができ
る。この時、式(1)を満たすので、入射光は全反射し
て出射面14から出射する。この場合、図8(A),図
8(B)どちらの場合をオンにしてもよいが、図8
(A)の時をオン信号とすることによって、各層の界面
で(全反射方向への)反射成分があっても光利用効率は
減少するものの、オフ時の漏れ光は発生しないので、S
/N比を高くすることができる。
When a voltage is applied to the polymer dispersed liquid crystal (FIG. 8)
In (B)), the liquid crystal molecules are arranged in the direction of the electric field, and the refractive index of the liquid crystal with respect to S-polarized light is no = 1.522.
The refractive index of the entire layer is the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.5
6) and (体積 1.55). At this time, since the expression (1) is satisfied, the incident light is totally reflected and exits from the exit surface 14. In this case, either of the cases shown in FIGS. 8A and 8B may be turned on.
By setting the ON signal at the time of (A), even if there is a reflected component (in the total reflection direction) at the interface of each layer, the light use efficiency is reduced, but the leakage light at the time of OFF is not generated.
/ N ratio can be increased.

【0063】図9は、本発明の第5の実施形態を説明す
るための図である。入射光が屈折率可変物質15に進入
する際に導光部材の全反射面の法線とのなす角度をθ2
とすると、反射制御部材16は、反射面37と一辺が共
通で基板面からの傾斜角γが90°−θ2以下である面
(逆傾斜面)38を有している。その他の構成は第4の
実施形態と同様である。この場合、θ2=sin
-1{(n1/n2)sinθ1}=73°であるので、γ
を17°以下に設定すると、図9における導光部材11
と屈折率可変物質15との界面における入射光の照射エ
リアAは第4の実施形態と同じであるため、反射面の底
辺から導光部材の全反射面までの距離、すなわち屈折率
可変物質15の層の最大厚tmaxを小さくすることがで
き、駆動電圧を低くすることができる。
FIG. 9 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention. When the incident light enters the variable refractive index substance 15, the angle between the incident light and the normal of the total reflection surface of the light guide member is θ 2.
Then, the reflection control member 16 has a surface (reverse inclined surface) 38 having one side common to the reflection surface 37 and having an inclination angle γ from the substrate surface of 90 ° −θ 2 or less. Other configurations are the same as in the fourth embodiment. In this case, θ 2 = sin
−1 {(n 1 / n 2 ) sin θ 1 } = 73 °, so γ
Is set to 17 ° or less, the light guide member 11 in FIG.
The irradiation area A of the incident light at the interface between the light guide member and the variable refractive index material 15 is the same as that of the fourth embodiment, so that the distance from the bottom of the reflection surface to the total reflection surface of the light guide member, that is, the refractive index variable material 15 The maximum thickness t max of the layer can be reduced, and the driving voltage can be reduced.

【0064】図10は、本発明の第6の実施形態を説明
するための図である。第5の実施形態における照射エリ
アAに対向する領域に反射面37(および逆傾斜面3
8)を複数個(図10では2個)設けている。図10か
ら明らかなように、Aが図9と等しい場合にはtmax
さらに小さくなり、より駆動電圧を低減できる。
FIG. 10 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention. In the region facing the irradiation area A in the fifth embodiment, the reflection surface 37 (and the reverse slope 3
8) are provided (two in FIG. 10). As is clear from FIG. 10, when A is equal to FIG. 9, t max is further reduced, and the driving voltage can be further reduced.

【0065】図11は、本発明の第7の実施形態を説明
するための図である。反射制御部材16の上部には平坦
化層39および透明電極31cが設けられている。平坦
化層39に用いる材料としては、入射光が屈折率可変物
質15を透過した後にさらに平坦化層39を透過するこ
とが可能である、言い換えれば屈折率可変物質15と平
坦化層39との界面で全反射を起こさないような屈折率
を有するものを使用する必要がある。第3の実施形態と
同様に導光部材11にフリントガラスSF2を用いて、
入射光をP偏光とする場合や、第4の実施形態と同様に
(予備配向を行った上で)、導光部材11にフリントガ
ラスF2を用いて、入射光をS偏光とする場合のいずれ
を用いてもよいが、これらの場合、平坦化層の屈折率と
しては、屈折率可変物質の屈折率の高い方の値(この例
では1.62程度)に近いものがよく、例えばポリスチ
レン等を例示することができる。電圧は透明電極31b
と31cの間に印加される。本実施形態では、導光部材
11にフリントガラスSF2を用いて、入射光をP偏光
とする(入射角θ1=75°)場合を記載している。高
分子分散液晶に電圧が印加されない時(図11(A)の
時)は液晶ドロップレット15aの向きがランダムであ
るため、層全体の屈折率はほぼ液晶の平均屈折率(≒
(2no+ne)/3≒1.60)と高分子マトリクス
の屈折率(≒1.56)との体積平均(≒1.57)と見
なすことができる。この場合には式(1)を満たすので
入射光は全反射して出射面14から出射する。高分子分
散液晶に電圧を印加した時(図11(B)の時)には液
晶分子が電界方向に配列し、P偏光に対する液晶の屈折
率はno・ne/(no2sin2θ1+ne2cos
2θ1 1/2=1.723となるので、層全体の屈折率は高
分子マトリクスの屈折率(≒1.56)との体積平均
(≒1.62)と見なすことができる。この時、式
(1)を満たさないので、入射光は全反射せず、大部分
が屈折率可変物質15および平坦化層39を透過して、
反射膜32によって方向を変えられ、第二出射面36か
ら出射する。この場合、屈折率可変物質(高分子分散液
晶)15の最も厚い部分の厚さを薄くできるので、駆動
電圧を小さくすることができる。なお、この構成におい
て、反射制御部材16とは便宜上平坦化層を含むものと
する。
FIG. 11 illustrates a seventh embodiment of the present invention.
FIG. Flat on the reflection control member 16
Layer 39 and a transparent electrode 31c are provided. flat
As the material used for the passivation layer 39, the incident light is a material having a variable refractive index.
After passing through the surface 15, the flattening layer 39 is further transmitted.
In other words, the refractive index variable substance 15 and the
Refractive index that does not cause total reflection at the interface with the carrier layer 39
Need to be used. Third embodiment and
Similarly, using flint glass SF2 for the light guide member 11,
When the incident light is P-polarized light, or as in the fourth embodiment,
(After pre-orientation is performed), flint gas is
Either when the incident light is converted into S-polarized light using the lath F2
May be used, in these cases, the refractive index of the planarizing layer and
The value of the higher refractive index of the variable refractive index material (in this example,
Is about 1.62).
Len and the like can be exemplified. The voltage is the transparent electrode 31b
And 31c. In the present embodiment, the light guide member
11 is P-polarized light using flint glass SF2
(Incident angle θ1= 75 °). High
When no voltage is applied to the molecule-dispersed liquid crystal (FIG. 11A)
), The orientation of the liquid crystal droplet 15a is random.
Therefore, the refractive index of the entire layer is almost equal to the average refractive index of the liquid crystal (≒
(2no + ne) /3≒1.60) and polymer matrix
And the volume average (≒ 1.57) with the refractive index (≒ 1.56)
I can do it. In this case, since equation (1) is satisfied,
The incident light is totally reflected and exits from the exit surface 14. High polymer content
When a voltage is applied to the dispersed liquid crystal (in the case of FIG. 11B), the liquid
Crystal molecules are arranged in the direction of the electric field, and the refraction of the liquid crystal with respect to the P polarized light
The rate is no · ne / (noTwosinTwoθ1+ NeTwocos
Twoθ1) 1/2= 1.723, the refractive index of the entire layer is high
Volume average with the refractive index of the molecular matrix (分子 1.56)
($ 1.62). At this time, the expression
Since (1) is not satisfied, incident light is not totally reflected, and is mostly
Is transmitted through the refractive index variable substance 15 and the flattening layer 39,
The direction is changed by the reflection film 32 and the second exit surface 36
Exit from In this case, the refractive index variable substance (polymer dispersion
Drive) because the thickness of the thickest part of
The voltage can be reduced. In this configuration,
Therefore, the reflection control member 16 includes a flattening layer for convenience.
I do.

【0066】なお、この変形として屈折率可変物質15
と平坦化層39の界面で全反射させることも可能であ
る。この場合、平坦化層39として、屈折率可変物質の
屈折率の低い方の値(この例では1.55程度)に近い
ものを選択すればよい。導光部材は屈折率可変物質の屈
折率の高い方の値(この例では、1.62程度)に近い
ものを選択すればよい。
As a modification, the refractive index variable material 15
It is also possible to make total reflection at the interface between the layer and the flattening layer 39. In this case, as the flattening layer 39, a material which is closer to the lower value of the refractive index of the variable refractive index material (about 1.55 in this example) may be selected. What is necessary is just to select the light guide member which is closer to the higher value of the refractive index of the variable refractive index material (about 1.62 in this example).

【0067】図12は、本発明の第8の実施形態を説明
するための図である。導光部材11は一方面が全反射面
となる平板導光体40と、入射面および出射面を有する
別の導光体41とを光学的接合している。平板導光体4
0と導光体41とは屈折率が概略等しいことが望まし
い。その他の構成は第5の実施形態と同様であり、動作
原理も同じである。光学的接合とは、両部材間の間隙が
使用する光の波長に比べて充分に小さいほどに密着して
いる状態であって、具体的には流動性のある物体を両者
間に介在させることによって得ることができる。流動性
のある物体は両部材との密着を確保した後に固化しても
構わない。より具体的には流動性のある物体として、屈
折率が概略平板導光体および導光体と等しい揮発性の低
い液体あるいは光硬化性接着剤を用いるのが好適であ
る。この実施形態においては屈折率可変物質と接するの
は平板導光体40であるので、透明電極31bは平板導
光体40上に形成される。この場合導光体41の接合は
最後に行えばよいので、デバイスの主要部分の作製を複
雑な形状の導光部材を用いないで行うことができるた
め、歩留まりが向上し、コストを低減することができ
る。
FIG. 12 is a diagram for explaining the eighth embodiment of the present invention. The light guide member 11 optically joins a flat light guide 40 whose one surface is a total reflection surface and another light guide 41 having an entrance surface and an exit surface. Flat light guide 4
It is desirable that the refractive index of 0 and the light guide 41 be substantially equal. Other configurations are the same as those of the fifth embodiment, and the operation principle is also the same. Optical bonding is a state in which the gap between the two members is in close contact with each other so that it is sufficiently smaller than the wavelength of the light to be used. Specifically, a fluid object is interposed between the two members. Can be obtained by An object having fluidity may be solidified after ensuring close contact with both members. More specifically, it is preferable to use a low-volatile liquid or a photocurable adhesive having a refractive index substantially equal to that of the flat light guide and the light guide as the fluid object. In this embodiment, since the flat light guide 40 is in contact with the variable refractive index substance, the transparent electrode 31b is formed on the flat light guide 40. In this case, since the bonding of the light guide 41 may be performed last, the main part of the device can be manufactured without using a light guide member having a complicated shape, so that the yield is improved and the cost is reduced. Can be.

【0068】図13及び図14は、本発明の第9の実施
形態を説明するための図である。図13は一次元空間光
変調器50を示す図で、図13(A)はその斜視図、図
13(B)は図13(A)のA方向からみた正面図、図
13(C)は図13(A)のB方向から見た側面図であ
る。基本的な構成は第5の実施の形態と同様であるが、
個別電極を兼ねる反射膜32が一次元アレイ状に配置さ
れている。基板には各個別電極に接続され、それらに選
択的に信号を供給するための駆動素子が設けられるのが
好ましい。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電
圧信号を印加することによって、選択された個別電極
(反射膜)32からの反射光のみが出射面14から出射
し、ライン状の光のON/OFF(空間光変調)ができ
る。個別電極が配列している方向と垂直な方向に走査す
る走査装置と組み合わせることで二次元の空間光変調が
できる。また図14に示すように、空間光変調器50の
個別電極(反射膜)32への駆動信号供給とガルバノミ
ラー等からなる走査機構54の駆動を画像信号に基づい
て制御し、得られた二次元空間光変調された光線を投影
レンズ53によってスクリーン55に投影することで、
画像表示装置を形成することができる。図14におい
て、光源51にはレーザ、LED、ランプ等を用いるこ
とができる。また、コリメートレンズ52を光インテグ
レータとしてもよく、これらの後段には図示しない偏光
変換光学系を付与してもよい。
FIGS. 13 and 14 are views for explaining the ninth embodiment of the present invention. FIG. 13 is a diagram showing the one-dimensional spatial light modulator 50, FIG. 13 (A) is a perspective view thereof, FIG. 13 (B) is a front view of FIG. 13 (A) viewed from the direction A, and FIG. It is the side view seen from the B direction of FIG.13 (A). The basic configuration is the same as that of the fifth embodiment,
The reflection films 32 also serving as individual electrodes are arranged in a one-dimensional array. The substrate is preferably provided with a drive element connected to each individual electrode and for selectively supplying a signal thereto. By selectively applying a voltage signal to each individual electrode arranged in an array, only the reflected light from the selected individual electrode (reflection film) 32 is emitted from the emission surface 14 and ON / OFF of the linear light is performed. OFF (spatial light modulation) is possible. Two-dimensional spatial light modulation can be performed by combining with a scanning device that scans in a direction perpendicular to the direction in which the individual electrodes are arranged. Further, as shown in FIG. 14, the driving signal supply to the individual electrodes (reflection film) 32 of the spatial light modulator 50 and the driving of the scanning mechanism 54 composed of a galvanometer mirror and the like are controlled based on the image signal, and the two obtained. By projecting the three-dimensionally spatially modulated light beam on the screen 55 by the projection lens 53,
An image display device can be formed. In FIG. 14, a laser, an LED, a lamp, or the like can be used as the light source 51. Further, the collimator lens 52 may be an optical integrator, and a polarization conversion optical system (not shown) may be provided at the subsequent stage.

【0069】なお、図14では空間光変調器50の出射
面14から出射する光線を走査および投影しているが、
第二の出射面36から出射する光線を走査および投影す
るような構成とすることも可能である。
In FIG. 14, the light beam emitted from the light exit surface 14 of the spatial light modulator 50 is scanned and projected.
It is also possible to adopt a configuration in which the light emitted from the second emission surface 36 is scanned and projected.

【0070】図15は、本発明の第10の実施形態を説
明するための図である。図15では一次元空間光変調器
そのものに走査機構54を設けて、反射膜が配列してい
る方向と垂直な方向に走査することで、よりコンパクト
な画像表示装置としている。走査機構はローレンツ力を
利用するガルバノ方式、静電気力を利用する方式、電歪
や磁歪を利用する方式等を用いることができる。この機
構は例えばマイクロマシニング技術を用いてSi基板上
に光スイッチング素子(アレイ)と一体的に作製するこ
とが可能である。このような一次元空間光変調器を走査
することで二次元化する方式の場合、光源からの光線の
空間光変調器への入射角は走査にしたがって変化してい
くが、本発明では、入射角が変化しても全反射条件式
(1)が満足されていれば光スイッチング素子として機
能する。
FIG. 15 is a view for explaining the tenth embodiment of the present invention. In FIG. 15, a scanning mechanism 54 is provided in the one-dimensional spatial light modulator itself, and scanning is performed in a direction perpendicular to the direction in which the reflection films are arranged, thereby providing a more compact image display device. As the scanning mechanism, a galvano method using Lorentz force, a method using electrostatic force, a method using electrostriction or magnetostriction, or the like can be used. This mechanism can be integrally formed with an optical switching element (array) on a Si substrate using, for example, a micromachining technique. In the case of such a system in which two-dimensional scanning is performed by scanning the one-dimensional spatial light modulator, the incident angle of the light beam from the light source to the spatial light modulator changes according to the scanning. Even if the angle changes, if the total reflection condition expression (1) is satisfied, it functions as an optical switching element.

【0071】図16は、本発明の第11の実施形態を説
明するための図で、二次元空間光変調器60の斜視図で
ある。基本的な構成は図15と同様であるが、個別電極
を兼ねる反射膜32が二次元アレイ状に配置されてい
る。基板には各個別電極に接続され、それらに選択的に
信号を供給するための駆動素子が設けられるのが好まし
い。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号
を印加することによって、選択された個別電極(反射
膜)32からの反射光のみが出射面14あるいは第二の
出射面36から出射し、面状の光のON/OFF(空間
光変調)ができる。この場合、空間光変調器だけで二次
元の空間光変調ができるため、図14のような走査機構
は不要で、出射面14あるいは第二の出射面36の外側
に投影レンズを設置し、スクリーンに投影することで画
像表示装置を形成することができる。
FIG. 16 is a view for explaining an eleventh embodiment of the present invention, and is a perspective view of a two-dimensional spatial light modulator 60. The basic configuration is the same as that of FIG. 15, but the reflection films 32 also serving as individual electrodes are arranged in a two-dimensional array. The substrate is preferably provided with a drive element connected to each individual electrode and for selectively supplying a signal thereto. By selectively applying a voltage signal to each individual electrode arranged in an array, only the reflected light from the selected individual electrode (reflection film) 32 exits from the exit surface 14 or the second exit surface 36, ON / OFF (spatial light modulation) of planar light can be performed. In this case, since the two-dimensional spatial light modulation can be performed only by the spatial light modulator, the scanning mechanism as shown in FIG. 14 is unnecessary, and a projection lens is provided outside the emission surface 14 or the second emission surface 36, and the screen is provided. An image display device can be formed by projecting the image.

【0072】なお、図13、図16では導光部材11を
共通にして一つにしているが、導光部材11を各光スイ
ッチング素子ごとに分割しても構わない。また、上記一
次元アレイ状の空間光変調器もしくは二次元アレイ状の
空間光変調器を使った画像表示装置では、赤、緑、青な
ど複数の波長の入射光を使い、時分割で各色の画像を表
示したり(フィールドシーケンシャル方式)、複数の空
間光変調器を設けて各色の画像を同時に投影すること
で、フルカラー画像を表示することもできる。
In FIGS. 13 and 16, the light guide member 11 is commonly used as one, but the light guide member 11 may be divided for each optical switching element. Further, in an image display device using the one-dimensional array-like spatial light modulator or the two-dimensional array-like spatial light modulator, incident light of a plurality of wavelengths such as red, green, and blue is used, and each color is time-divided. A full-color image can be displayed by displaying an image (field sequential method) or by providing a plurality of spatial light modulators and simultaneously projecting images of each color.

【0073】上記二次元の空間光変調器、特にそれを用
いた画像表示装置においては、図17に示すように投射
光学系の光軸46に対して全反射面上の画像形成面47
が傾いているため、投射光学系によって投影されるスク
リーンは光軸に対して傾き、屈折率可変物質によって変
調された二次元像がスクリーン45上では歪んだ投影画
像48となってしまう。このような不具合を解消するた
めに、導光部材11の屈折率をn1とし、全反射面13
と出射面14とのなす内角をα、全反射面13の法線と
オン信号における反射光線(出力光線)とのなす角をθ
としたときに tanα={n1 2sin(α-θ)cos(α-θ)}/{1-n1 2sin2(α-θ)}…(2) をおおむね満足するαであるように設定されているのが
望ましい。その理由を図18を用いて説明する。
In the two-dimensional spatial light modulator, particularly in an image display device using the same, as shown in FIG. 17, the image forming surface 47 on the total reflection surface is positioned with respect to the optical axis 46 of the projection optical system.
Is inclined, the screen projected by the projection optical system is inclined with respect to the optical axis, and the two-dimensional image modulated by the variable refractive index material becomes a distorted projected image 48 on the screen 45. In order to solve such a problem, the refractive index of the light guide member 11 is set to n1, and the total reflection surface 13 is set.
Is an internal angle between the light and the exit surface 14, and an angle between the normal to the total reflection surface 13 and the reflected light (output light) in the ON signal is θ.
Tanα = {n 1 2 sin (α-θ) cos (α-θ)} / {1-n 1 2 sin 2 (α-θ)} ... (2) It is desirable to be set to. The reason will be described with reference to FIG.

【0074】図18に示すように全反射面13で反射も
しくは全反射面13を通過した光線(出力光線)は出射
面14から空気中へ出る際に、導光部材11の屈折率n
1と、出射面14と出射面に入射する光線とのなす角φ
に応じて屈折する。出射後の屈折角をφ′とすると sinφ′=n1sinφ を満足する。屈折方向から見たとき、屈折の効果によっ
て全反射面13は屈折光線を光線の進行方向の逆側にた
どった方向で距離が実際の1/n1のところにあるよう
に見える。このとき見かけの全反射面(みかけの画像形
成面)49が出射方向に対しておおむね垂直であれば、
すなわち投射光学系の光軸に対して見かけの全反射面が
おおむね垂直になっているときには投影されるスクリー
ンは光軸に対しておおむね垂直に設けることができる。
そのため見かけの全反射面49を実質的に歪みなくスク
リーンに投影することができる。このような条件を満足
するためには、全反射面13の法線と全反射面13での
反射光線(出力光線)とのなす角θと全反射面13と出
射面14とのなす内角αとがおおむね式(2)を満足す
ればよい。全反射面13と出射面14とのなす内角αの
ずれがどの程度まで許容されるかは導光部材11の屈折
率n1やθ、空間光変調器の用途、システム構成などに
よって変わる。例えば画像表示装置に利用する場合に
は、投影された画像の歪みが人間の目に認知できない範
囲でαのずれが許容される。
As shown in FIG. 18, a light ray (output light ray) reflected on the total reflection surface 13 or passed through the total reflection surface 13 exits the air from the light exit surface 14 and reaches the refractive index n of the light guide member 11.
1 and the angle φ between the exit surface 14 and the light beam incident on the exit surface
Refraction according to 'When sin [phi' refraction angle after exit φ satisfies = n 1 sinφ. When viewed from the refraction direction, due to the refraction effect, the total reflection surface 13 appears to have a distance of 1 / n 1 in the direction in which the refracted light ray is traced in the direction opposite to the traveling direction of the light ray. At this time, if the apparent total reflection surface (apparent image forming surface) 49 is substantially perpendicular to the emission direction,
That is, when the apparent total reflection surface is substantially perpendicular to the optical axis of the projection optical system, the projected screen can be provided substantially perpendicular to the optical axis.
Therefore, the apparent total reflection surface 49 can be projected on the screen substantially without distortion. In order to satisfy such a condition, the angle θ between the normal to the total reflection surface 13 and the light ray reflected from the total reflection surface 13 (output light beam) and the internal angle α between the total reflection surface 13 and the emission surface 14 It suffices that approximately satisfies Expression (2). The extent to which the deviation of the internal angle α between the total reflection surface 13 and the emission surface 14 is allowed depends on the refractive index n 1 and θ of the light guide member 11, the use of the spatial light modulator, the system configuration, and the like. For example, when used in an image display device, a deviation of α is allowed within a range where distortion of a projected image cannot be recognized by human eyes.

【0075】一例を挙げると、前記図7に示した光スイ
ッチング素子の場合には、n1=1.645、θ=75°
であるので、式(2)を満足するαは約141°とな
る。また図8に示した光スイッチング素子で、例えば反
射制御部材16の傾斜角を全反射面13から5°に設定
すると、反射制御部材16からの出力光線(図7(A)
の時)に対してはn1=1.617、θ=45°であるの
で、式(2)を満足するαは約77°となる。この時、
出射面での屈折角は反射制御部材16からの出力光線に
対しては約49°、全反射面からの出力光線(図7
(B)の時)に対しては約3°となり、両者を分離する
ことは容易である。
As an example, in the case of the optical switching element shown in FIG. 7, n 1 = 1.645 and θ = 75 °
Therefore, α satisfying the expression (2) is about 141 °. Also, in the optical switching element shown in FIG. 8, for example, when the inclination angle of the reflection control member 16 is set to 5 ° from the total reflection surface 13, the output light from the reflection control member 16 (FIG. 7A)
Is satisfied), since n 1 = 1.617 and θ = 45 °, α satisfying the expression (2) is about 77 °. At this time,
The angle of refraction at the exit surface is about 49 ° with respect to the output light from the reflection control member 16, and the output light from the total reflection surface (FIG. 7).
(In the case of (B)) is about 3 °, and it is easy to separate them.

【0076】また、見かけの全反射面(画像形成面)4
9は実際の全反射面13(画像形成面47)に比べて、
入射光線の光軸に平行で前記全反射面に垂直な方向の奥
行き方向については変化しないが、入射光線の光軸と前
記全反射面の両方に平行な方向については次の式(4)
に示す倍率mだけ圧縮されている。 m=cosθ{1-n1 2sin2(α-θ)}1/2/cos(α-θ)…(4)
Further, an apparent total reflection surface (image forming surface) 4
9 is smaller than the actual total reflection surface 13 (image forming surface 47).
The depth does not change in the direction parallel to the optical axis of the incident light beam and perpendicular to the total reflection surface, but the following expression (4) applies to the direction parallel to both the optical axis of the incident light beam and the total reflection surface.
Are compressed by the magnification m shown in FIG. m = cosθ {1-n 1 2 sin 2 (α-θ)} 1/2 / cos (α-θ) ... (4)

【0077】そこで、全反射面13で二次元に配列させ
る反射制御部材16および個別電極の配列間隔や形状を
あらかじめ一方向だけ式(4)の圧縮を受けることを考
慮して設定することで、設計通りの形状の二次元像を得
ることができる。
Therefore, the arrangement interval and the shape of the reflection control member 16 and the individual electrodes arranged two-dimensionally on the total reflection surface 13 are set in advance in consideration of the fact that the expression (4) is compressed in only one direction. A two-dimensional image having the designed shape can be obtained.

【0078】なお、図8に示した光スイッチング素子に
おいてθ=0°、すなわち全反射面に対して垂直方向に
反射するように反射制御部材16の傾斜角を設定した場
合にはα=0°となり、式(4)よりm=1となるので
倍率の補正は不要である。
In the optical switching element shown in FIG. 8, when the angle θ = 0 °, that is, when the inclination angle of the reflection control member 16 is set so as to reflect the light in the direction perpendicular to the total reflection surface, α = 0 °. And m = 1 from the equation (4), so that it is not necessary to correct the magnification.

【0079】(実施例)図19は、二次元空間光変調器
の作製方法を説明するための図で、反射制御部材の作
製、セル作製、注入、及び硬化の工程を順に図19
(A)〜図19(D)に示すものである。以下に順に説
明する。 (A)反射制御部材の作製 Si基板34の表面にMOSFETによる駆動素子を複
数個形成し、その上にCVD法により5μm厚の酸化シ
リコン33を堆積した。次に面積階調のパターンを形成
したフォトマスクを用いてパターンニングしてドライエ
ッチングを行うことによって傾斜面およびコンタクトホ
ール56を形成した。メタルCVDによる穴埋めを行っ
た後、スパッタリングによりアルミニウムを0.1μm
厚で堆積し、反射膜兼個別電極32となるようにパター
ンニングした。この上にスピンコートにより0.1μm
厚のポリイミド膜を形成し、ラビングを行うことにより
配向膜58を形成した。
(Example) FIG. 19 is a view for explaining a method of manufacturing a two-dimensional spatial light modulator. The steps of manufacturing a reflection control member, manufacturing a cell, injecting, and curing are sequentially shown in FIG.
(A) to FIG. 19 (D). This will be described below in order. (A) Fabrication of Reflection Control Member A plurality of drive elements by MOSFET were formed on the surface of a Si substrate 34, and a 5 μm thick silicon oxide 33 was deposited thereon by CVD. Next, the inclined surface and the contact hole 56 were formed by patterning using a photomask on which an area gradation pattern was formed and performing dry etching. After filling the hole by metal CVD, aluminum was sputtered to a thickness of 0.1 μm.
It was deposited to a thickness and patterned so as to be a reflective film and individual electrode 32. On this is spin-coated 0.1 μm
An alignment film 58 was formed by forming a thick polyimide film and performing rubbing.

【0080】(B)セル作製 フリントガラス(F2)からなる導光部材11の全反射
面に50nm厚のITOからなる透明電極31dおよび
ポリイミドからなる配向膜59を形成したものと図19
(A)の反射制御部材とをエポキシ樹脂からなるシール
剤35を用いて張り合わせ、空セルを作製した。シール
剤の一部には注入孔を設けた。
(B) Cell Preparation A transparent electrode 31d of 50 nm thick ITO and an alignment film 59 of polyimide are formed on the total reflection surface of the light guide member 11 made of flint glass (F2), and FIG.
The reflection control member of (A) was adhered using a sealing agent 35 made of an epoxy resin, thereby producing an empty cell. An injection hole was provided in a part of the sealant.

【0081】(C)注入 図19(B)の空セル内を真空排気した後、液晶(E
7)と紫外線硬化性化合物(NOA60)の混合物(液
晶濃度35wt%)を注入し、注入孔を封止した。
(C) Injection After evacuating the empty cell shown in FIG.
A mixture (liquid crystal concentration: 35 wt%) of 7) and an ultraviolet curable compound (NOA60) was injected, and the injection hole was sealed.

【0082】(D)硬化 高圧水銀ランプによりUV光(400mW/cm2)を
照射し、高分子分散液晶15を形成した。
(D) Curing UV light (400 mW / cm 2 ) was irradiated from a high-pressure mercury lamp to form a polymer-dispersed liquid crystal 15.

【0083】上述のような工程によって作製された空間
光変調器を用いて、以下のように画像表示を行った。断
面がほぼ長方形となるように整形されたレーザ光(波長
670nm)をS偏光として入射面より入射し、駆動素
子57により画像データに応じて選択的に個別電極32
に電圧(20V)を印加したところ、第2の出射面35
から空間変調された出力光が取り出され、(図示しな
い)投影レンズによりスクリーンに拡大投影画像を得る
ことができた。
Using the spatial light modulator manufactured by the above-described steps, an image was displayed as follows. Laser light (wavelength 670 nm) shaped so as to have a substantially rectangular cross section is incident on the incident surface as S-polarized light, and the driving element 57 selectively allows individual electrodes 32 according to image data.
When a voltage (20 V) is applied to the second exit surface 35
, The spatially modulated output light was taken out, and an enlarged projection image could be obtained on a screen by a projection lens (not shown).

【0084】[0084]

【発明の効果】請求項1の光スイッチング素子によれ
ば、全反射面と反射制御部材の間に屈折率可変物質を設
け、該屈折率可変物質を液晶/高分子複合体(高分子分
散液晶)としたので、構造が簡単で耐久性が高く、応答
速度の速い光スイッチング素子を提供することができ
る。
According to the optical switching element of the first aspect, a variable refractive index material is provided between the total reflection surface and the reflection control member, and the variable refractive index material is a liquid crystal / polymer composite (polymer dispersed liquid crystal). ), It is possible to provide an optical switching element having a simple structure, high durability, and high response speed.

【0085】請求項2の光スイッチング素子によれば、
屈折率可変物質が高分子分散液晶からなり、液晶を入射
光の波長の1/5以下の粒径を有するドロップレットと
したので、上記に加え、光損失の小さい光スイッチング
素子を提供することができる。
According to the optical switching element of the second aspect,
Since the variable-refractive-index substance is made of a polymer-dispersed liquid crystal, and the liquid crystal is a droplet having a particle diameter of 1/5 or less of the wavelength of the incident light, in addition to the above, it is possible to provide an optical switching element with small light loss. it can.

【0086】請求項3の光スイッチング素子によれば、
屈折率可変物質が高分子分散液晶からなり、電圧無印加
時に全ての液晶分子が概略一方向に配列しているように
したので、上記に加え、S/N比を高くできる光スイッ
チング素子を提供することができる。
According to the optical switching element of the third aspect,
Since the variable-refractive-index substance is made of a polymer-dispersed liquid crystal and all liquid crystal molecules are arranged in one direction when no voltage is applied, in addition to the above, an optical switching element capable of increasing the S / N ratio is provided. can do.

【0087】請求項4の光スイッチング素子によれば、
反射制御部材を少なくとも光吸収材料を含むものとした
ので、上記に加え、構造が簡単で、入射角依存が小さい
光スイッチング素子を提供することができる。
According to the optical switching element of the fourth aspect,
Since the reflection control member includes at least the light absorbing material, in addition to the above, it is possible to provide an optical switching element having a simple structure and small incident angle dependence.

【0088】請求項5の光スイッチング素子によれば、
反射制御部材を少なくとも光散乱材料を含むものとした
ので、上記に加え、より耐久性の高い光スイッチング素
子を提供することができる。
According to the optical switching element of claim 5,
Since the reflection control member includes at least the light scattering material, in addition to the above, it is possible to provide a more durable optical switching element.

【0089】請求項6の光スイッチング素子によれば、
反射制御部材を少なくとも全反射面と平行でない角度に
固定された反射面を有するものとしたので、よりS/N
比を高くできる光スイッチング素子を提供することがで
きる。
According to the optical switching element of the sixth aspect,
Since the reflection control member has at least a reflection surface fixed at an angle that is not parallel to the total reflection surface, the S / N ratio is increased.
An optical switching element capable of increasing the ratio can be provided.

【0090】請求項7の光スイッチング素子によれば、
入射光が前記導光部材の全反射面から屈折率可変物質に
進入する時に全反射面の法線とのなす角度をθ2とする
と、前記反射制御部材は、前記反射面と交わり基板面か
らの傾斜角が90°−θ2以下である第二の面を有する
ようにしたので、駆動エネルギーを小さくできる光スイ
ッチング素子を提供することができる。
According to the optical switching element of the seventh aspect,
When the incident light is two the angle between the normal of the total reflection surface θ when it enters the index variable material from the total reflection surface of the light guide member, the reflection control member from said reflecting surface and intersects the substrate surface Is provided with a second surface having an inclination angle of 90 ° -θ 2 or less, so that an optical switching element capable of reducing driving energy can be provided.

【0091】請求項8の光スイッチング素子によれば、
屈折率可変物質に外部信号を印加する単位要素に対し
て、反射基板の反射面を複数個設けたので、さらに駆動
エネルギーを小さくできる光スイッチング素子を提供す
ることができる。
According to the optical switching element of the eighth aspect,
Since a plurality of reflection surfaces of the reflection substrate are provided for a unit element for applying an external signal to the refractive index variable substance, it is possible to provide an optical switching element capable of further reducing driving energy.

【0092】請求項9の光スイッチング素子によれば、
反射制御部材の反射面と屈折率可変物質との間に、少な
くとも反射面を覆い上面が全反射面と概略平行である層
を設けたので、より駆動エネルギーを小さくできる光ス
イッチング素子を提供することができる。
According to the optical switching element of the ninth aspect,
To provide an optical switching element in which at least a layer covering at least the reflection surface and having an upper surface substantially parallel to the total reflection surface is provided between the reflection surface of the reflection control member and the refractive index variable substance, so that the driving energy can be further reduced. Can be.

【0093】請求項10の光スイッチング素子によれ
ば、導光部材を、全反射面となる面を有する平板導光体
と入射面および出射面を有する別の導光体とを光学的接
合してなるものとしたので、上記に加え、製造が容易な
光スイッチング素子を提供することができる。
According to the optical switching element of the tenth aspect, the light guide member is formed by optically joining a flat light guide having a surface to be a total reflection surface and another light guide having an entrance surface and an exit surface. Therefore, in addition to the above, it is possible to provide an optical switching element that is easy to manufacture.

【0094】請求項11の空間光変調器によれば、請求
項1乃至10の光スイッチング素子を二次元アレイ状に
配列したので、耐久性が高く、応答速度の速い空間光変
調器を提供することができる。
According to the spatial light modulator of the eleventh aspect, since the optical switching elements of the first to tenth aspects are arranged in a two-dimensional array, a spatial light modulator having high durability and a high response speed is provided. be able to.

【0095】請求項12の空間光変調器によれば、導光
部材の全反射面と出射面とのなす内角の角度を、出力光
線と全反射面とがなす角度との関係で規定したので、上
記に加え、出力信号の空間的歪みが少ない空間光変調器
を提供することができる。
According to the spatial light modulator of the twelfth aspect, the angle of the internal angle between the total reflection surface and the light exit surface of the light guide member is defined by the relationship between the angle between the output light beam and the total reflection surface. In addition to the above, it is possible to provide a spatial light modulator with little spatial distortion of an output signal.

【0096】請求項13の空間光変調器によれば、請求
項1乃至10の光スイッチング素子を一次元アレイ状に
配列したので、上記に加え、製造歩留まりが高く低コス
トな空間光変調器を提供することができる。
According to the spatial light modulator of the thirteenth aspect, since the optical switching elements of the first to tenth aspects are arranged in a one-dimensional array, in addition to the above, a spatial light modulator having a high manufacturing yield and a low cost can be provided. Can be provided.

【0097】請求項14の空間光変調器によれば、光ス
イッチング素子が一次元アレイ状に配列されてなる平面
を有し、該平面を光スイッチング素子の整列方向に平行
な一軸を中心として回転駆動させる駆動機構とを設けた
ので、走査装置を別途設ける必要がなく、さらに低コス
トで、小型の空間光変調器を提供することができる。
According to the spatial light modulator of the fourteenth aspect, the optical switching element has a plane in which the optical switching elements are arranged in a one-dimensional array, and the plane is rotated about one axis parallel to the alignment direction of the optical switching elements. Since the driving mechanism for driving is provided, it is not necessary to separately provide a scanning device, and it is possible to provide a low-cost and small-sized spatial light modulator.

【0098】請求項15の画像表示装置によれば、請求
項11または12の空間光変調器により形成した画像を
スクリーンに投影するようにしたので、高速変調が可能
なため表示容量を大きくでき、寿命の長い画像表示装置
を提供することができる。
According to the image display device of the fifteenth aspect, the image formed by the spatial light modulator of the eleventh or twelfth aspect is projected on the screen, so that high-speed modulation is possible and the display capacity can be increased. An image display device having a long life can be provided.

【0099】請求項16の画像表示装置によれば、請求
項13の空間光変調器から出射した光線を垂直方向に走
査してスクリーンに投影し、二次元画像を得るようにし
たので、低コストな画像表示装置を提供することができ
る。
According to the image display device of the sixteenth aspect, the light emitted from the spatial light modulator of the thirteenth aspect is scanned in the vertical direction and projected on the screen to obtain a two-dimensional image. A simple image display device can be provided.

【0100】請求項17の画像表示装置によれば、請求
項14の空間光変調器により形成した画像をスクリーン
に投影するようにしたので、さらに低コストで小型の画
像表示装置を提供することができる。
According to the image display device of the seventeenth aspect, since the image formed by the spatial light modulator of the fourteenth aspect is projected on the screen, it is possible to provide a small-sized image display device at lower cost. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の第1の実施形態を説明するための図
である。
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.

【図2】 液晶ドロップレットサイズと応答速度との関
係を示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a liquid crystal droplet size and a response speed.

【図3】 高分子分散液晶の応答速度の測定を行うため
の装置の概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring a response speed of a polymer-dispersed liquid crystal.

【図4】 高分子分散液晶層に電界が印加されていない
時と印加されている時の様子を模式的に示した図であ
る。
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a state where an electric field is not applied to the polymer-dispersed liquid crystal layer and a state where an electric field is applied.

【図5】 T=0.9となる粒径を体積分率が10%
(d(0.1))、30%(d(0.3))および50%
(d(0.5))の場合について、波長に対してプロッ
トしたことを示す図である。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the particle size at which T = 0.9 and the volume fraction of 10%.
(D (0.1)), 30% (d (0.3)) and 50%
It is a figure which shows that it plotted with respect to wavelength about the case of (d (0.5)).

【図6】 本発明の第2の実施形態を説明するための図
である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.

【図7】 本発明の第3の実施形態を説明するための図
である。
FIG. 7 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention.

【図8】 本発明の第4の実施形態を説明するための図
である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention.

【図9】 本発明の第5の実施形態を説明するための図
である。
FIG. 9 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention.

【図10】 本発明の第6の実施形態を説明するための
図である。
FIG. 10 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention.

【図11】 本発明の第7の実施形態を説明するための
図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention.

【図12】 本発明の第8の実施形態を説明するための
図である。
FIG. 12 is a diagram for explaining an eighth embodiment of the present invention.

【図13】 本発明の第9の実施形態を説明するための
図である。
FIG. 13 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention.

【図14】 本発明の第9の実施形態を説明するための
他の図である。
FIG. 14 is another diagram for explaining the ninth embodiment of the present invention.

【図15】 本発明の第10の実施形態を説明するため
の図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention.

【図16】 本発明の第11の実施形態を説明するため
の図である。
FIG. 16 is a diagram for explaining an eleventh embodiment of the present invention.

【図17】 二次元の空間光変調器を用いた画像表示装
置について説明するための図である。
FIG. 17 is a diagram for describing an image display device using a two-dimensional spatial light modulator.

【図18】 本発明に係る空間光変調器を用いた画像表
示装置について説明するための図である。
FIG. 18 is a diagram for describing an image display device using the spatial light modulator according to the present invention.

【図19】 二次元空間光変調器の作製方法を説明する
ための図である。
FIG. 19 is a diagram illustrating a method for manufacturing a two-dimensional spatial light modulator.

【図20】 従来の光スイッチング素子の一例について
説明するための図である。
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a conventional optical switching element.

【図21】 従来の光スイッチング素子の動作説明図で
ある。
FIG. 21 is a diagram illustrating the operation of a conventional optical switching element.

【図22】 従来の光スイッチング素子の概略構成を示
す図である。
FIG. 22 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional optical switching element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…導光部材、12…入射面、13,49,121…
全反射面、14,36…出射面、15…屈折率可変物
質、15a…液晶ドロップレット、15b…ポリマー、
16…反射制御部材、21…レーザ、22…偏光子、2
3,28…レンズ、24…試料、25…Au電極、26
…高分子分散液晶層、27…Si基板、29…検光子、
30…パワーメータ、31a,31b,31c,31
d,102…透明電極、32,154…反射膜、33…
絶縁体、34…基板、35…シール剤、37,132…
反射面、38…逆傾斜面、39…平坦化層、40…平板
導光体、41,150…導光体、45,55…スクリー
ン、46…光軸、47…画像形成面、48…投影画像、
50,60…空間光変調器、51…光源、52…コリメ
ートレンズ、53…投影レンズ、54…走査機構、56
…コンタクトホール、57…駆動素子、59…配向膜、
103…反射電極、104a…入射光を透過する状態、
104b…入射光を遮断する状態、110,111…光
線、120…導光部、130…プリズム、131…抽出
面、140…駆動部、151…反射光、152…入射光
(直線偏光)、153…全反射光、155…液晶。
11: light guide member, 12: incident surface, 13, 49, 121 ...
Total reflection surface, 14, 36 ... emission surface, 15: variable refractive index material, 15a: liquid crystal droplet, 15b: polymer,
16: reflection control member, 21: laser, 22: polarizer, 2
3, 28 lens, 24 sample, 25 Au electrode, 26
... Polymer dispersed liquid crystal layer, 27 ... Si substrate, 29 ... Analyzer,
30 ... Power meter, 31a, 31b, 31c, 31
d, 102: transparent electrode, 32, 154: reflective film, 33:
Insulator, 34 ... substrate, 35 ... sealant, 37, 132 ...
Reflecting surface, 38: reverse inclined surface, 39: flattening layer, 40: flat light guide, 41, 150: light guide, 45, 55: screen, 46: optical axis, 47: image forming surface, 48: projection image,
50, 60: spatial light modulator, 51: light source, 52: collimating lens, 53: projection lens, 54: scanning mechanism, 56
... contact holes, 57 ... driving elements, 59 ... alignment films,
103: reflective electrode, 104a: state of transmitting incident light,
104b: a state of blocking incident light, 110, 111: light beam, 120: light guide, 130: prism, 131: extraction surface, 140: drive unit, 151: reflected light, 152: incident light (linearly polarized light), 153 ... total reflection light, 155 ... liquid crystal.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川島 伊久衞 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 Fターム(参考) 2H079 AA02 AA12 BA01 CA02 CA21 DA08 EA13 EA28 GA04 GA05 HA12 HA15 KA05 2H088 EA37 GA10 HA14 HA21 HA23 KA05 KA09 LA06 MA10 2H089 HA04 SA02 TA01 TA13 TA17 TA20 UA03 2H091 FA16 FA21 FA23 FA34 FD07 JA02 KA01 MA07 2K002 AA07 AB10 BA06 CA14 DA02 EA14 EA25 GA07 GA10 HA02 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Ikue Kawashima 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Co., Ltd. (Reference) 2H079 AA02 AA12 BA01 CA02 CA21 DA08 EA13 EA28 GA04 GA05 HA12 HA15 KA05 2H088 EA37 GA10 HA14 HA21 HA23 KA05 KA09 LA06 MA10 2H089 HA04 SA02 TA01 TA13 TA17 TA20 UA03 2H091 FA16 FA21 FA23 FA34 FD07 JA02 KA01 MA07 2K002 AA07 AB10 BA06 CA14 DA02 EA14 EA25 GA07 GA10 HA02

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光の入射面、出射面および入射した光を
全反射することができる部分を有する全反射面を備えた
導光部材と、該導光部材の全反射面に対向して設けら
れ、入射光の全反射方向への反射強度を減少させる機能
を有する反射制御部材とを有し、該反射制御部材と前記
導光部材との間に、外部信号によって屈折率が変化する
屈折率可変物質を狭持してなる光スイッチング素子にお
いて、該屈折率可変物質が、液晶材料を高分子マトリク
ス中に分散保持した液晶/高分子複合体であることを特
徴とする光スイッチング素子。
1. A light guide member including a light incident surface, a light exit surface, and a total reflection surface having a portion capable of totally reflecting incident light, and provided to face the total reflection surface of the light guide member. And a reflection control member having a function of reducing the reflection intensity of incident light in the total reflection direction, wherein a refractive index between the reflection control member and the light guide member is changed by an external signal. An optical switching element comprising a variable substance, wherein the variable refractive index substance is a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix.
【請求項2】 前記屈折率可変物質の前記液晶材料は、
入射光の波長の1/5以下の粒径を有するドロップレッ
トであることを特徴とする請求項1に記載の光スイッチ
ング素子。
2. The liquid crystal material of the variable refractive index material,
2. The optical switching element according to claim 1, wherein the optical switching element is a droplet having a particle diameter of 1/5 or less of the wavelength of the incident light.
【請求項3】 電圧無印加時に前記液晶材料全ての液晶
分子が概略一方向に配列することを特徴とする請求項1
または2に記載の光スイッチング素子。
3. The liquid crystal material according to claim 1, wherein all of the liquid crystal molecules are aligned in one direction when no voltage is applied.
Or the optical switching element according to 2.
【請求項4】 前記反射制御部材は、少なくとも光吸収
材料を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか
1に記載の光スイッチング素子。
4. The optical switching element according to claim 1, wherein the reflection control member includes at least a light absorbing material.
【請求項5】 前記反射制御部材は、少なくとも光散乱
材料を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか
1に記載の光スイッチング素子。
5. The optical switching element according to claim 1, wherein the reflection control member includes at least a light scattering material.
【請求項6】 前記反射制御部材は、少なくとも前記全
反射面と平行ではない角度に固定された反射面を有する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1に記載の
光スイッチング素子。
6. The optical switching element according to claim 1, wherein the reflection control member has a reflection surface fixed at an angle that is not parallel to the total reflection surface.
【請求項7】 入射光が前記導光部材の前記全反射面か
ら前記屈折率可変物質に進入する時に該全反射面の法線
とのなす角度をθ2とすると、前記反射制御部材は、前
記反射面に交差し、該反射制御部材の形成基板面に対す
る傾斜角が90°−θ2以下である第2の面を有するこ
とを特徴とする請求項6に記載の光スイッチング素子。
7. When the incident light enters the variable-refractive-index material from the total reflection surface of the light guide member and forms an angle with the normal of the total reflection surface as θ 2 , the reflection control member includes: optical switching element according to claim 6, wherein the intersecting the reflecting surface, the inclination angle with respect to forming substrate surface of the reflective control member and having a second surface is 90 ° - [theta] 2 or less.
【請求項8】 前記屈折率可変物質に外部信号を印加す
る単位要素に対して、前記反射制御部材の前記反射面が
複数個設けられていることを特徴とする請求項6または
7に記載の光スイッチング素子。
8. The reflection control member according to claim 6, wherein a plurality of the reflection surfaces of the reflection control member are provided for a unit element for applying an external signal to the variable refractive index substance. Optical switching element.
【請求項9】 前記反射制御部材の前記反射面と前記屈
折率可変物質との間に、少なくとも前記反射面を覆い上
面が前記導光部材の全反射面と略平行である層が設けら
れていることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1
に記載の光スイッチング素子。
9. A layer is provided between the reflection surface of the reflection control member and the variable refractive index material, the layer covering at least the reflection surface and having an upper surface substantially parallel to the total reflection surface of the light guide member. 9. The method according to claim 6, wherein
3. The optical switching element according to claim 1.
【請求項10】 前記導光部材は、前記全反射面となる
面を有する平板導光体と前記入射面および前記出射面を
有する別の導光体とを光学的接合してなるものであるこ
とを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1に記載の光
スイッチング素子。
10. The light guide member is formed by optically joining a flat light guide having a surface to be the total reflection surface and another light guide having the entrance surface and the exit surface. The optical switching element according to claim 1, wherein:
【請求項11】 請求項1乃至10のいずれか1に記載
の光スイッチング素子が二次元アレイ状に配列されてい
ることを特徴とする空間光変調器。
11. A spatial light modulator, wherein the optical switching elements according to claim 1 are arranged in a two-dimensional array.
【請求項12】 前記導光部材の屈折率をn1とし、前
記全反射面と前記出射面とのなす内角をα、前記全反射
面の法線とオン信号時における出力光線とのなす角をθ
としたときに tanα={n1 2sin(α-θ)cos(α-θ)}/{1-n1 2sin2(α-θ)} を満足するαであるように設定されていることを特徴と
する請求項11に記載の空間光変調器。
12. The light guide member has a refractive index of n 1 , an internal angle between the total reflection surface and the emission surface is α, and an angle between a normal line of the total reflection surface and an output light beam at the time of an ON signal. To θ
Tanα = {n 1 2 sin (α-θ) cos (α-θ)} / {1-n 1 2 sin 2 (α-θ)} The spatial light modulator according to claim 11, wherein:
【請求項13】 請求項1乃至10のいずれか1に記載
の光スイッチング素子が一次元アレイ状に配列されてい
ることを特徴とする空間光変調器。
13. A spatial light modulator, wherein the optical switching elements according to claim 1 are arranged in a one-dimensional array.
【請求項14】 請求項1乃至10のいずれか1に記載
の光スイッチング素子が一次元アレイ状に配列されてな
る平面を有し、該平面を光スイッチング素子の整列方向
に平行な一軸を中心として回転駆動させる駆動機構を設
けたことを特徴とする空間光変調器。
14. An optical switching element according to claim 1, wherein the optical switching element has a plane arranged in a one-dimensional array, and the plane is centered on one axis parallel to the alignment direction of the optical switching element. A spatial light modulator, comprising a driving mechanism for rotationally driving the light.
【請求項15】 請求項11または12に記載の空間光
変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、
該空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影
して表示する手段とを有することを特徴とする画像表示
装置。
15. A spatial light modulator according to claim 11 or 12, and means for causing a light beam to enter the spatial light modulator.
Means for projecting an image formed by the spatial light modulator onto a screen for display.
【請求項16】 請求項13に記載の空間光変調器と、
該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変
調器から出射した光線を該空間光変調器の光スイッチン
グ素子の整列方向に対して垂直な方向に走査する走査機
構と、該走査機構から出射した光線をスクリーンに投影
して表示する手段とを有することを特徴とする画像表示
装置。
16. The spatial light modulator according to claim 13,
Means for injecting a light beam into the spatial light modulator, a scanning mechanism for scanning the light beam emitted from the spatial light modulator in a direction perpendicular to the alignment direction of the optical switching elements of the spatial light modulator, and the scanning Means for projecting light beams emitted from the mechanism onto a screen for display.
【請求項17】 請求項14に記載の空間光変調器と、
該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変
調器により形成した画像をスクリーンに投影し表示する
手段とを有することを特徴とする画像表示装置。
17. The spatial light modulator according to claim 14,
An image display apparatus comprising: means for causing a light beam to enter the spatial light modulator; and means for projecting and displaying an image formed by the spatial light modulator on a screen.
JP2001121407A 2001-04-19 2001-04-19 Optical switching element, spatial light modulator and image display device Pending JP2002311410A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001121407A JP2002311410A (en) 2001-04-19 2001-04-19 Optical switching element, spatial light modulator and image display device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001121407A JP2002311410A (en) 2001-04-19 2001-04-19 Optical switching element, spatial light modulator and image display device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002311410A true JP2002311410A (en) 2002-10-23

Family

ID=18971289

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001121407A Pending JP2002311410A (en) 2001-04-19 2001-04-19 Optical switching element, spatial light modulator and image display device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2002311410A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004258398A (en) * 2003-02-26 2004-09-16 Tnk Incubation:Kk Optical device
JP2007538256A (en) * 2004-05-17 2007-12-27 メイバン・テクノロジーズ・エルエルシー Imaging method and apparatus
JP2012155158A (en) * 2011-01-26 2012-08-16 Toshiba Corp Display device
US8427604B2 (en) 2010-07-26 2013-04-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Display device
WO2020116310A1 (en) * 2018-12-04 2020-06-11 国立大学法人大阪大学 Display device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004258398A (en) * 2003-02-26 2004-09-16 Tnk Incubation:Kk Optical device
JP2007538256A (en) * 2004-05-17 2007-12-27 メイバン・テクノロジーズ・エルエルシー Imaging method and apparatus
US8427604B2 (en) 2010-07-26 2013-04-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Display device
JP2012155158A (en) * 2011-01-26 2012-08-16 Toshiba Corp Display device
WO2020116310A1 (en) * 2018-12-04 2020-06-11 国立大学法人大阪大学 Display device
JPWO2020116310A1 (en) * 2018-12-04 2021-10-14 国立大学法人大阪大学 Display device
JP7412775B2 (en) 2018-12-04 2024-01-15 国立大学法人大阪大学 display device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4728515B2 (en) Optical path element, spatial light modulator, and image display device
JP2002311410A (en) Optical switching element, spatial light modulator and image display device
JPH0915575A (en) Variable focus lens element and optical waveguide
JP4282263B2 (en) Optical path switching device and image display device
JP4950396B2 (en) Optical path switching element, spatial light modulator, and image display device
US6552766B2 (en) Reflection liquid crystal display device having slanted parts in interfaces
JP3162762B2 (en) Display element
US20020005930A1 (en) A liquid crystal layer including a dichroic dye
JP2003255410A (en) Optical path switching element, spacial light modulator and image display device
JP2003149620A (en) Optical path switching element, spatial light modulator and image display device
JP3970067B2 (en) Optical path switching element, spatial light modulator, and image display device
JP4014396B2 (en) Optical path switching element and spatial light modulator using the element
JP4785023B2 (en) Optical path switching element, spatial light modulator, and image display device
JP4043260B2 (en) Optical path switching device, spatial light modulator, and image display device
JP2003279947A (en) Light deflection element, optical path switching device, and image display device
JP3077356B2 (en) Liquid crystal panel and liquid crystal projection television using the same
JPH09171164A (en) Deflecting element
JP4063547B2 (en) Optical path switching element, spatial light modulator, and image display device
JP2003202537A (en) Optical path switching device, spatial light modulator and picture display device
JP2003329994A (en) Optical path switching element, spatial optical modulator, and image display device
JP2003066406A (en) Optical path switching element, space optical modulator and image display device
JP2003315852A (en) Optical path switching element, driving method for optical path switching element, spatial optical modulator, and image display device
JP2003149621A (en) Optical path switching element, spatial light modulator and image display device
JP2003172958A (en) Optical path switching element, spatial optical modulator, and picture display device
JP2002311421A (en) Liquid crystal display device and manufacturing method therefor