JP2003066406A

JP2003066406A - 光路切替素子、空間光変調器、及び画像表示装置

Info

Publication number: JP2003066406A
Application number: JP2001258972A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kondo; 均近藤; Hidenori Tomono; 英紀友野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低
減でき、装置設計の自由度が高い光路切替素子を提供す
る。【解決手段】導光部材１０１を介した光入射部１０３
と、そこから入った入射光１を反射する反射部１１５
と、そこでの反射光を導光部材１０１を介して出射光と
して外部へ取り出す光出射部１０４とを備える。反射部
１１５側の光路中に屈折率可変物質１０５を封入し、屈
折率可変物質１０５に信号を与え屈折率変化を、入射光
１が導光部材１０１と屈折率可変物質１０５との界面で
全反射しない範囲で生じせしめる信号入力手段を備え
る。光出射部１０４を構成する面の法線と導光部材１０
１中を透過する入射光１の光軸とのなす角度ψが、光入
射部１０３への入射角θ₁よりも小さくなるように設定
する。すなわち光出射部１０４における出射光の出射点
が、光入射部１０３における入射光１の出射点側にある
よう設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光路切替素子、空
間光変調器、及び画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】入射光の反射方向を変化させることによ
って光路を変え、光をスイッチングするデバイス及びそ
れを用いた空間光変調器として、例えば特開平５−１９
６８８０号に示されるような微小な回転鏡を二次元状に
多数配列したものが知られている。

【０００３】図１９は、従来（特開平５−１９６８８０
号公報に記載）の空間光変調器の平面図であり、平面上
では、図１９に示すように、方形トーションビーム反射
表面１１とビーム支持ポスト１２のみが観察される。図
２０は、図１９に示した空間光変調器のひとつの回転鏡
の断面図で、図２０（Ａ）はヒンジに沿っての断面図、
図２０（Ｂ）はそれと直角方向の断面図である。ビーム
支持ポスト１２は、ポスト１５に連結されたヒンジ１３
の捻れによって、ビーム１１を接地電極１４に向けて回
転可能にする。その駆動力はポスト１６によって支持さ
れたアドレス電極１７に印加される電圧で与えられる。
アドレス電極１７への電圧印加は、基板層１９に設けら
れたＣＭＯＳ回路（図示せず）の信号を金属層１８を介
して伝達することにより行われる。ビーム１１の回転状
態を回転鏡ごとに変えることによって、入射した光を二
次元的に空間変調することができる。

【０００４】上記方式においては、大きな回転角を得る
ために回転鏡の構造が複雑になっており、製造コストが
高くなるという問題がある。

【０００５】その他の光スイッチング素子（光路切替素
子）として、例えば特開平１１−２０２２２２号公報に
開示されている光スイッチング素子がある。図２１は、
前記特開平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。この光スイッ
チング素子は、光を全反射して伝達可能な全反射面２２
を備えた導光部材２１と、全反射面２２に対し抽出面３
２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３１と、プリズム３１
を導光部材２１に接近させ又は離すように駆動する駆動
部４０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４０を
動作させることによってプリズム３１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、導光部材２１中を伝搬してきた光
線１は図２１に示されるように全反射面２２で全反射さ
れ図の右方向へと出射（図２１の光線２）していく。駆
動部４０を動作させない時には図２１左側のセルのよう
にプリズム３１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、導光部材２１中を伝搬してき
た光線１は図２１左側セルに示されたように全反射面２
２で反射することなくプリズム３１に進入する。プリズ
ム３１に進入した光線はプリズムの反射面３１ａで反射
して図２１に示した光線３のように導光部材２１を透過
して出射される。

【０００６】上記の方式において、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比較的簡
単な駆動機構を採用することができるが、図２１に示し
たようなプリズム３１は、その構造が複雑であるため、
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３１
を導光部材２１，全反射面２２に近接させるとファンデ
ルワールス力、或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。

【０００７】さらに、別の光スイッチング素子として、
特開２０００−１７１８１３号公報に開示されている光
スイッチング素子がある。図２２は、前記特開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５０に接触させた液晶６０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）
１が全反射光２として出射される状態と、透過光となっ
たのち反射膜６１によって向きを変えられて反射光３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。なお、図２２において、５１は透明電極、７０は液
晶駆動用ＩＣ基板、７１は電極端子である。

【０００８】この方式においては、機械的な駆動部を持
たないため、前述のような問題は生じないが、導光体と
液晶との界面で全反射させるために、導光体を屈折率の
高い材料で作製する必要がある、或いは光の入射角を大
きくしなければならないという制約があり、材料コスト
が高くなる、或いは光学系が複雑になったり、光利用効
率が低下するなど実用上好ましくない問題が生じる可能
性がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のごと
き実状に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、耐
久性が高く、部材コストを低減でき、かつ装置設計の自
由度が高い光路切替素子を提供することをその目的とす
る。また、本発明は、この光路切替素子を用いた空間光
変調器、及びその空間光変調器を用いた画像表示装置を
提供することを他の目的とする。より具体的には、
（１）構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低減で
き、かつ装置設計の自由度が高い光路切替素子を提供す
ること（請求項１、請求項２、請求項３）、（２）上記
に加え、Ｓ／Ｎ比を高くできる光路切替素子を提供する
こと（請求項４）、（３）よりＳ／Ｎ比を高くできる光
路切替素子を提供すること（請求項５）をその目的とす
る。

【００１０】（４）さらに上記に加え、製造が容易な光
路切替素子を提供すること（請求項６）、（５）上記に
加え、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提
供すること（請求項７）、（６）さらに駆動エネルギー
を小さくできる光路切替素子を提供すること、（請求項
８）（７）さらに製造が容易で、Ｓ／Ｎ比を高くできる光路
切替素子を提供すること（請求項９）をその目的とす
る。

【００１１】（８）さらに上記に加え、応答速度の速い
光路切替素子を提供すること（請求項１０）、（９）上
記に加え、光損失の小さい光路切替素子を提供すること
（請求項１１）、（１０）上記に加え、さらにＳ／Ｎ比
を高くできる光路切替素子を提供すること（請求項１
２）をその目的とする。

【００１２】（１１）さらには、構造が簡単で耐久性が
高く、部材コストを低減でき、かつ装置設計の自由度が
高い空間光変調器を提供すること（請求項１３）、（１
２）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１４）をその目的とする。

【００１３】（１３）さらには、耐久性が高く、低コス
トで装置設計の自由度が高い画像表示装置を提供するこ
と（請求項１５）、（１４）さらに低コストな画像表示
装置を提供すること（請求項１６）をその目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、導光
部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光
を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導
光部材を介して出射光として外部へ取り出す光出射部と
よりなる光路切替素子で、前記光入射部と反射部との間
の光路中に屈折率可変物質を封入し、該屈折率可変物質
に信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を
具備するとともに、前記信号による前記屈折率可変物質
の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可
変物質との界面で全反射しない範囲で行う光路切替素子
において、前記光出射部を構成する面の法線と、前記光
入射部に到達する前の前記導光部材中を透過する光の光
軸とのなす角度が、前記光入射部を構成する面の法線
と、該光入射部に到達する前の前記導光部材中を透過す
る光の光軸とのなす角度よりも小さいことを特徴とした
ものである。

【００１５】請求項２の発明は、導光部材を介した光入
射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部
と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出
射光として外部へ取り出す光出射部とよりなる光路切替
素子で、前記光入射部と反射部との間の光路中に屈折率
可変物質を封入し、該屈折率可変物質に信号を与え屈折
率変化を生じせしめる信号入力手段を具備するととも
に、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化
を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界
面で全反射しない範囲で行う光路切替素子において、前
記光出射部は、当該光出射部を構成する面の法線が、前
記光入射部を構成する面の法線に対し、入射側からみて
右下がりとなるように構成されていることを特徴とした
ものである。

【００１６】請求項３の発明は、導光部材を介した光入
射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部
と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出
射光として外部へ取り出す光出射部とよりなる光路切替
素子で、前記光入射部と反射部との間の光路中に屈折率
可変物質を封入し、該屈折率可変物質に信号を与え屈折
率変化を生じせしめる信号入力手段を具備するととも
に、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化
を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界
面で全反射しない範囲で行う光路切替素子において、前
記光出射部における出射光の出射点が、前記光入射部に
おける入射光の出射点側にあることを特徴としたもので
ある。

【００１７】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、前記信号による前記屈折率可変
物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記導
光部材と該導光部材に接触する外部物質との界面で全反
射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とをとる
ことができる範囲で行うことを特徴としたものである。

【００１８】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れか１の発明において、前記出射光を第二の導光部材を
介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けた
ことを特徴としたものである。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１乃至５のいず
れか１の発明において、前記光入射部に光学的接合し、
前記導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けた
ことを特徴としたものである。

【００２０】請求項７の発明は、請求項１乃至６のいず
れか１の発明において、前記反射部が一辺を共有する２
つの面によって構成され、前記屈折率可変物質に進入し
た入射光と前記光入射部を構成する面の法線とのなす角
度の動作範囲における最大値をθ_2maxとすると、前記反
射部を構成する少なくとも１つの面の法線と前記光入射
部を構成する面の法線とのなす角度が９０°−θ_2max以
下であることを特徴としたものである。

【００２１】請求項８の発明は、請求項１乃至７のいず
れか１の発明において、前記反射部が、前記屈折率可変
物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を
有していることを特徴としたものである。

【００２２】請求項９の発明は、請求項１乃至８のいず
れか１の発明において、前記屈折率可変物質が液晶材料
からなることを特徴としたものである。

【００２３】請求項１０の発明は、請求項１乃至８のい
ずれか１の発明において、前記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
合体からなることを特徴としたものである。

【００２４】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、前記屈折率可変物質の液晶材料が入射光の波長
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。

【００２５】請求項１２の発明は、請求項９乃至１１の
いずれか１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。

【００２６】請求項１３の発明は、請求項１乃至１２の
いずれか１記載の光路切替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。

【００２７】請求項１４の発明は、請求項１乃至１２の
いずれか１記載の光路切替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。

【００２８】請求項１５の発明は、請求項１３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。

【００２９】請求項１６の発明は、請求項１４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
の光路切替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。

【００３０】

【発明の実施の形態】（本発明の構成・動作）本発明に
おいては、導光部材を介した光入射部と、該光入射部か
ら入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射し
た光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す
光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中（光入射
部と反射部との間の光路中）に屈折率可変物質を封入
し、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率
変化を生じせしめる信号入力手段を具備するとともに、
前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前
記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で全
反射しない範囲で行う光路切替素子において、前記光出
射部を構成する面の法線と、前記光入射部に到達する前
の前記導光部材中を透過する光の光軸とのなす角度が、
前記光入射部を構成する面の法線と、該光入射部に到達
する前の前記導光部材中を透過する光の光軸とのなす角
度よりも小さいことを特徴とする光路切替素子を提案す
る。

【００３１】また、上記角度の条件として、前記光出射
部との交点における当該光出射部を構成する面の法線
が、前記光入射部を構成する面の法線に対し、入射側か
らみて右下がりとなるように、前記光出射部が構成され
ているものとしてもよい。さらに、光出射部における出
射光の出射点が、前記光入射部における入射光の出射点
側にあることを条件としてもよい。

【００３２】導光部材の屈折率をｎ₁、屈折率可変物質
の屈折率をｎ₂とし、導光部材中を透過する入射光が光
入射部を構成する面の法線とのなす角度（入射角）をθ
₁、入射光が屈折率可変物質中に進入する際に前記光入
射部を構成する面の法線とのなす角度（屈折角）をθ₂
とすると、スネルの法則により以下の式が成り立つ。ｓｉｎθ₂／ｓｉｎθ₁＝ｎ₁／ｎ₂…（１）

【００３３】信号印加によってｎ₂が変化すると（１）
式に従ってθ₂が変化し、その結果反射部での反射角が
変わり、出射光の光路（出射角）が変化する。その角度
変化量は概略θ₂の変化量程度であるが、導光部材の屈
折率ｎ₁が導光部材に接触している外部物質の屈折率ｎ_a
（通常外部物質は空気であり、ｎ_a＝１）より大きい場
合には光出射部から出射する際に屈折が生じ、出射光と
光出射部を構成する面の法線とのなす角度（出射角）の
変化量はθ₂の変化量よりも大きくなる。これにより所
定の位置で光出力を検出すれば、ｎ₂の変化に伴って光
出力が変化することになり、信号印加による光スイッチ
ングが可能となる。本発明の光路切替素子においては、
原理的に導光部材の屈折率ｎ₁や入射角θ₁に対する制約
が少ないため、安価な部材を用いたデバイス及びシステ
ムを実現することができる。

【００３４】また、上述した各条件に基づき光路切替素
子を設計することにより、光出射部から出射する光を入
射光の起点の方向とは異なる方向に進行させることがで
きるので、入射光の発生（導入）から出射光の処理まで
を含む装置設計の自由度が高くなる（請求項１、請求項
２、請求項３）。すなわち、構造が簡単で耐久性が高
く、部材コストを低減できるとともに、装置設計の自由
度が高い光路切替素子を提供することができる。この光
路切替素子は、光通信，光演算，光プリンタ，画像表示
装置等、様々なものに使用される。

【００３５】上記において、信号による屈折率可変物質
の屈折率変化を、反射部で反射した光が光出射部におい
て導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射
する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取るこ
とができる範囲で行うことが好ましい。この場合、θ₂
の変化量に比べて出射角の変化量が非常に大きくなり、
さらに高いＳ／Ｎ比が得られる（請求項４）。すなわ
ち、Ｓ／Ｎ比の高い光路切替素子を提供することができ
る。

【００３６】さらには、出射光を第二の導光部材を介し
て外部へ出すことができる第二の光出射部を設けること
が好ましい。光出射部から出射した光は、再び第二の導
光部材に入射し、第二の光出射部から出射する。この時
の出射角の変化量は第二の導光部材がない時よりも大き
くすることが可能であり、より高いＳ／Ｎ比を得ること
ができる（請求項５）。すなわち、さらにＳ／Ｎ比の高
い光路切替素子を提供することができる。

【００３７】上記において、光入射部に光学的接合し、
導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けること
が製造の容易さから好ましい。この場合、平板導光体と
反射部とこの間に封入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、導光部材を光学的
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６）。すなわち、上記に加え、製造が容易な光路切
替素子を提供することができる。

【００３８】反射部が一辺を共有する２つの面によって
構成され、光入射部から屈折率可変物質に進入した入射
光と光入射部を構成する面の法線とのなす角度の動作範
囲における最大値をθ_2maxとすると、反射部を構成する
少なくとも１つの面の法線と光入射部を構成する面の法
線とのなす角度が９０°−θ_2max以下であることが好ま
しい。このようにすることによって反射部から光入射部
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）。すなわち、駆動エネルギ
ーを小さくできる光路切替素子を提供することができ
る。

【００３９】さらに、反射部が、屈折率可変物質に信号
を印加する単位要素に対して、複数組の面を有している
ことが好ましい。このようにすることによって反射部か
ら光入射部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）。すなわち、さらに駆動エネルギーを小さ
くできる光路切替素子を提供することができる。

【００４０】屈折率可変物質としては、外部からエネル
ギーを与えることによって屈折率が変化するものであれ
ば使用可能であるが、制御のしやすさから電界によって
屈折率が変化する、いわゆる電気光学材料が好適に使用
できる。電気光学材料としては、ポッケルス効果を示す
ＬｉＮｂＯ₃やカー効果を示すＢａＴｉＯ₃やＰＬＺＴな
どの固体結晶、液晶などが知られているが、中でも電界
強度当たりの屈折率変化量が大きいこと及び流動性があ
ることから液晶が好ましい。屈折率変化量が大きいこと
により、θ₂の変化量を大きくすることができ、その結
果出射角の変化量を大きくすることができるので、高い
Ｓ／Ｎ比を得ることができる。また、流動性があること
により導光部材（或いは平板導光体）及び反射部への光
学的接触を容易に実現することができる（請求項９）。
すなわち、さらに製造が容易で、Ｓ／Ｎ比を高くできる
光路切替素子を提供することができる。

【００４１】屈折率可変物質として、液晶／高分子複合
体を用いることが応答速度の点から好ましい。このよう
な液晶／高分子複合体として、液晶ドロップレットを高
分子マトリクス中に分散した、いわゆる高分子分散液晶
が好適に使用できる。高分子分散液晶の応答速度は液晶
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。なお、ここでいう粒径とは構造体を代表する粒径
であって、通常は電子顕微鏡写真等によって計測された
平均粒径が好適に使用される（請求項１０、請求項１
１）。すなわち、上記に加え、応答速度の速い光路切替
素子を提供することができる。さらに、上記に加え、光
損失の小さい光路切替素子を提供することができる。

【００４２】上記の液晶は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、θ₂の変化量を大きくすることができ、その結果出
射角の変化量を大きくすることができるので、高いＳ／
Ｎ比を得ることができる（請求項１２）。すなわち、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、さらにＳ／Ｎ比を高くできる光路
切替素子を提供することができる。

【００４３】本発明の光路切替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あり、ま
た使用する部材の制約が少ないために、耐久性が高く安
価なものとなる。一次元に配列した空間光変調器は光路
切替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、より低コストとなる（請求項１３、請求項１
４）。すなわち、二次元配列の場合、構造が簡単で耐久
性が高く、部材コストを低減でき、装置設計の自由度が
高い空間光変調器を提供することができる。また、一次
元配列の場合、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。

【００４４】上記の空間光変調器と、光線入射手段及び
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、耐久性が高く安価な画
像表示装置を構成することができる（請求項１５、請求
項１６）。すなわち、二次元配列の光路切替素子を用い
た空間光変調器の場合、耐久性が高く、低コストで装置
設計の自由度が高い画像表示装置を提供することができ
る。また、一次元配列の光路切替素子を用いた空間光変
調器の場合、そ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。

【００４５】（実施の形態１）図１は、本発明の第１の
実施の形態を説明するための図で、図中、１０１は、ガ
ラス，プラスチック等からなる光学的に透明な導光部材
である。導光部材１０１は光源からの光線を屈折率可変
物質１０５に入射させる光入射部１０３、反射部１１５
で反射した光線を導光部材１０１の外部へと出射させる
光出射部１０４を有している。ここで図１（Ｂ）中に示
したように、光出射部１０４を構成する面の法線と導光
部材１０１中を透過する入射光１の光軸とのなす角度ψ
が、光入射部１０３を構成する面の法線と導光部材１０
１中を透過する入射光１の光軸とのなす角度（入射角）
θ₁よりも小さくなるように設定している。換言すれ
ば、光出射部１０４を構成する面の法線と、光入射部１
０４に到達する前の導光部材１０１中を透過する光の光
軸とのなす角度ψが、光入射部１０３を構成する面の法
線と、光入射部１０３に到達する前の導光部材１０１中
を透過する光の光軸とのなす角度（入射角）θ₁よりも
小さくなるように設定している。また、光出射部１０４
は、光出射部１０４を構成する面の法線が、光入射部１
０３を構成する面の法線に対し、入射側からみて右下が
りとなるように構成されているよう設定してもよい。す
なわち、光入射部１０３を構成する面を水平とした時、
光出射部１０４を構成する面は入射光１の起点側に下が
る方向で傾斜するように設定されている。さらに、光出
射部１０４における出射光の出射点が、光入射部１０３
における入射光の出射点側にあるように設定してもよ
い。

【００４６】反射部１１５を含む反射部材１０６は、Ｓ
ｉ，ガラス等からなる基板１０９上に、ガラス、プラス
チック又は酸化シリコン、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１０８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
の金属膜１０７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。この金属膜１０７は電極としても作用する。基板１
０９には金属膜１０７に情報に応じた信号電圧を印加す
るための駆動素子等を形成するのが望ましい。

【００４７】反射部材１０６としては、絶縁体１０８が
基板１０９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。
屈折率可変物質１０５としては、液晶が好適に使用でき
る。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。

【００４８】光入射部１０３には屈折率可変物質に電圧
を印加するためのＩＴＯ等からなる透明電極１１０が設
けられている。屈折率可変物質が液晶のように流動性の
ある材料からなる時には、エポキシ樹脂等からなるシー
ル剤１１１を形成して、保持するのがよい。作製工程の
一例を示せば、導光部材（もしくは反射部材）の周辺部
に熱硬化性のエポキシ樹脂を一部に開口部（注入孔）を
残して印刷した後、反射部材（もしくは導光部材）を貼
り合わせて加熱硬化する。注入孔から液晶を注入した
後、孔を接着剤で塞げば完成する。

【００４９】図１（Ａ）は、屈折率可変物質１０５の屈
折率ｎ₂が導光部材１０１の屈折率ｎ₁より大きい場合を
示す図で、この場合、屈折角θ₂は式（１）に従って入
射角θ₁より小さくなる。反射部１１５を構成する面の
法線と光入射部１０３を構成する面の法線とのなす角度
（ここでは、反射部を構成する面の傾斜角α）をα＝θ
₂／２に設定しておけば、反射光は光入射部１０３を垂
直に横切って光出射部１０４に対してφ₁＝β（βは光
出射部１０４を構成する面の法線と光入射部１０３を構
成する面の法線とのなす角度（ここでは、光出射部１０
４を構成する面の傾斜角の角度））で入射し、導光部材
１０１に接触している外部物質１０２が空気（ｎ_a＝
１）の場合には出射角φ₂＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁ｓｉｎβ）で
出射する。図１（Ｂ）はｎ₂がｎ₁と概略同程度の場合で
θ₂はθ₁にほぼ等しいため図１（Ａ）の時よりも反射角
が大きくなり、反射光は光出射部１０４に対して概略φ
₁'＝β＋（θ₁−θ₂）の角度で入射し、出射角φ₂'＝ｓ
ｉｎ^-1｛ｎ₁ｓｉｎ（β＋（θ₁−θ₂））で出射する。
出射光のビーム径をｒとすると光出射部１０４からｒ／
ｔａｎφ₂'以上の距離で光出力を光検出器１１３により
測定（検出）すると、図１（Ａ）の場合には検出される
が、図１（Ｂ）の場合にはほとんど検出されず、良好な
Ｓ／Ｎ比が得られる。

【００５０】具体的な例として、導光部材１０１をクラ
ウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）で作製し、屈折
率可変物質１０５をネマティック液晶Ｅ７（常光屈折率
ｎｏ＝１.５２２，異常光屈折率ｎｅ＝１.７４６）と
し、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１１２を図
１（Ａ）のように光入射部１０３に対して水平で紙面に
垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ，ポ
リイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電
極１１０及び金属膜１０７の表面に形成するのが好まし
い。

【００５１】図１（Ａ）の状態でレーザ光（波長６３３
ｎｍ）をＳ偏光としてθ₁＝６０°で入射させると、こ
の光に対しては液晶の屈折率はｎ₂＝ｎｅ＝１.７４６と
なるので、式（１）に従ってθ₂＝４９°となる。α＝
２４.５°に設定すると、反射光は光出射部１０４に対
してφ₁＝２４.５°で入射し、出射角φ₂＝３９°で出
射する。一方、透明電極１１０と金属膜１０７の間に電
圧を印加すると図１（Ｂ）のように液晶分子が電界方向
に配列し、同様の入射光に対して液晶の屈折率はｎ₂＝
ｎｏ＝１.５２２となるので、入射光及び反射光はほぼ
直進し、光出射部１０４に対してφ₁'＝３５.５°で入
射し、出射角φ₂'＝６２°で出射する。この場合、図１
（Ａ）と（Ｂ）とで出射角の差が２３°あり、分離は可
能である。

【００５２】上記においては入射光をＳ偏光としたが、
Ｐ偏光であってもよく、その場合には電圧印加時と無印
加時の光の振る舞いが逆になる。Ｐ偏光を用いると界面
反射損失が減少するので、光利用効率の点ではより好ま
しい。

【００５３】（実施の形態２）図２は、本発明の第２の
実施形態を説明するための図である。本実施形態におけ
る光路切替素子は、基本的な構成は第１の実施の形態と
同様であるが、光出射部を構成する面の傾斜角βをβ＝
３４°と大きくしている。図２（Ａ）の時には反射光は
光出射部１０４に対してφ₁＝３４°で入射し、φ₂＝５
８°で出射する。図２（Ｂ）の時には光出射部１０４に
対してφ₁'＝４５°で入射し、この時外部物質１０２が
空気（ｎ_a＝１）の場合には下式（２）を満たすので、
反射光は光出射部において全反射する。ｓｉｎφ_１'≧ｎ_a／ｎ₁ …（２）

【００５４】この場合、出射角の差を１８０°−（４５
°＋５８°）＝７７°以上と第１の実施の形態に比べて
大きくすることができるので、より確実に分離できる。
また、図２（Ａ）の状態において導光部材１０１の外部
へ出射する光の進行方向に対峙する位置に光処理部１５
８を設け、図２（Ｂ）の状態において導光部材１０１の
外部へ出射する光の進行方向に対峙する位置に第二の光
処理部１５９を設けることにより、両光処理部において
信号光が入る／入らないを高いＳ／Ｎ比で切り替えるこ
とができる。

【００５５】ここでいう光処理部は、入ってきた光をシ
ステムに必要な別の状態に変化させる（又は受け渡す）
機能を有するものである。例えば光通信の場合には光処
理部が光ファイバへのコネクタとして働き、通信網の光
路切り替えを行うことができる。また、光プリンタや画
像表示装置の場合には一方の光処理部が光ビームを整形
したり、拡大する機能を持ち、他方の光処理部が光ビー
ムを消失させる（吸収する）機能を持つことにより、画
像の出力を行うことができる。図から明らかなように光
処理部１５８及び第二の光処理部１５９は入射光１の起
点方向とは異なる位置に配設することが可能であるた
め、装置設計の自由度が高くなる。

【００５６】（実施の形態２の比較例）図３は、図２と
比較することにより本発明の第２の実施形態を補足して
説明するための図で、第２の実施形態において、光出射
部１０４を構成する面の法線と導光部材中を透過する入
射光１の光軸とのなす角度ψが、光入射部１０３を構成
する面の法線と導光部材中を透過する入射光１の光軸と
のなす角度（入射角）θ ₁よりも大きくなるように設定
した光路切替素子を示す図である。すなわち、光入射部
１０３を構成する面を水平とした時、光出射部１０４を
構成する面は入射光１の起点からみて下がる方向に傾斜
するように設定されている。

【００５７】光出射部１０４を構成する面の傾斜角βを
β＝４５°に設定すると、図３（Ａ）の時には反射光は
光出射部１０４に対してφ₁＝４５°で入射する。この
時外部物質１０２が空気（ｎ_a＝１）の場合には下式
（３）を満たすので、反射光は光出射部１０４において
全反射する。ｓｉｎφ_１≧ｎ_a／ｎ₁ …（３）

【００５８】図３（Ｂ）の時にはφ₁'＝３４°で入射
し、出射角φ₂'＝５８°で出射する。この場合出射角の
差は１８０°−（４５°＋５８°）＝７７°以上とな
り、第２の実施形態と同様に光スイッチングが可能であ
るが、第二の光処理部１５９は入射光１の起点側に設置
する必要があり、装置設計上制約が生じる。

【００５９】（実施の形態３）図４は、本発明の第３の
実施形態を説明するための図で、図中、１１４は導光部
材１０１と同じ材質からなる第二の導光部材で、１１６
は出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことがで
きる第二の光出射部である。この例では光出射部１０４
と第二の導光部材１１４（ともに入射光の波長程度の平
滑度で仕上げている）をラフに密着させることによっ
て、入射光の波長程度の空隙（空気層）を持たせてい
る。また、第二の光出射部１１６を構成する面は光入射
部１０３を構成する面とほぼ平行となるようにしてい
る。その他の設定は第２の実施形態と同様である。図４
（Ａ）の時、光出射部１０４から出射した光は、ほぼ直
進（実際には波長程度平行移動する）して、再び第二の
導光部材１１４に入射し、第二の光出射部１１６から出
射する。図４（Ｂ）の時、反射光は光出射部１０４と空
隙部の空気層との界面で全反射する。この場合、図４
（Ａ）と（Ｂ）とで出射角の差が９０°を超えるので、
漏れ光を検出することはなく、非常に高いＳ／Ｎ比を得
ることができる。

【００６０】（実施の形態４）図５は、本発明の第４の
実施形態を説明するための図で、図中、１１７は導光部
材１０１と屈折率が概略等しい平板導光体である。平板
導光体１１７は、光入射部１０３と光学的接合がなされ
ている。その他の構成は第２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、屈折率が概略導光部材１０１及び平板導光体１１７
と等しい揮発性の低い液体、或いは光硬化性接着剤を用
いるのが好適である。本実施形態においては屈折率可変
物質１０５と接するのは平板導光体１１７であるので、
透明電極１１０は平板導光体１１７上に形成される。こ
の場合導光部材１０１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。

【００６１】（実施の形態５）図６は、本発明の第５の
実施形態を説明するための図である。本実施形態におけ
る光路切替素子は、反射部１１５が一辺を共有する２つ
の面（反射面１２８及び逆傾斜面１１８）によって構成
され、屈折率可変物質１０５に進入した入射光と光入射
部１０３を構成する面の法線とのなす角度（屈折角）θ
₂の動作範囲における最大値をθ_2maxとすると、反射部
１１５を構成する少なくとも１つの面（この例では逆傾
斜面１１８）の法線と光入射部１０３を構成する面の法
線とのなす角度（ここでは、逆傾斜面の傾斜角γ）が９
０°−θ_2max以下となっている。その他の構成は第２の
実施形態と同様である。この場合、θ_2max＝θ₁＝６０
°であるので、γを３０°以下に設定すると、光入射部
における入射光の照射エリアＡは第２の実施形態と同じ
であるため、反射部１１５から光入射部１０３までの距
離、すなわち屈折率可変物質層１０５の最大厚ｔ_max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。

【００６２】（実施の形態６）図７は、本発明の第６の
実施形態を説明するための図である。本実施形態におけ
る光路切替素子では、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１２８を複数組（図７では
２組）設けている。図７から明らかなように、照射エリ
アＡが図６のそれと等しい場合にはｔ_maxがさらに小さ
くなり、より駆動電圧を低減できる。

【００６３】なお、本発明においては、導光部材１０１
の屈折率は屈折率可変物質（液晶）１０５の最小の屈折
率（ｎｏ）と同等もしくはそれより小さくてもよいた
め、上述の実施形態では最も典型的な光学ガラスである
ＢＫ７を用いた例を挙げたが、例えば、特開２０００−
１７１８１３号に開示されているような導光部材と液晶
との界面での全反射を利用する従来技術を用いて、上述
の実施形態と同じ液晶（Ｅ７）と入射角（６０°）を適
用した場合には、屈折率が１.７６以上の導光部材を用
いなければならず、コストアップにつながる。

【００６４】（実施の形態７）図８は、本発明の第７の
実施形態を説明するための図である。本実施形態におけ
る光路切替素子は、屈折率可変物質１０５として高分子
分散液晶を用いる以外は第５の実施形態と同様の構成で
ある。高分子分散液晶は高分子マトリクス１２０中に液
晶ドロップレット１１９が分散されてなる。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。

【００６５】高分子分散液晶の製法としては、（１）液
晶と熱、或いは光硬化（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。

【００６６】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又はオリゴマーとし
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。

【００６７】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。

【００６８】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基板と導光部材間に注入し
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
分散液晶層を形成する。

【００６９】具体的な高分子分散液晶の例として、ネマ
ティック液晶ＢＬ２４（ｎｏ＝１.５１３，ｎｅ＝１.７
１７，メルク社）を紫外線硬化性プレポリマーＮＯＡ８
１（ノーランド社）に溶解（液晶重量濃度４５％）し、
紫外線（４００ｍＷ／ｃｍ ²）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８（Ａ）の時には液晶分子の配向したドロップレット
１１９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≒１.５８）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１０１をクラウンガラス
ＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）とし、入射角を７５°に設
定すると、屈折角は６９°となるので、α＝３４.５°
に設定すれば反射光は光入射部１０３にほぼ垂直に入射
する。β＝４０°に設定すると反射光は光出射部１０４
に対してφ₁＝４０°で入射し、出射角φ₂＝７７°で出
射する。

【００７０】図８（Ｂ）の時には、液晶分子が電界方向
に配列し、Ｓ偏光に対する高分子分散液晶層の屈折率は
液晶の屈折率（≒ｎｏ＝１.５１３）と高分子マトリク
スの屈折率（≒１.５６）との体積平均（≒１.５４）と
見なすことができる。この時、屈折角は７２°となり、
反射光は光出射部１０４に対してφ₁'＝４３°で入射す
る。この時式（２）を満たすので、反射光は光出射部１
０４において全反射する。この場合出射角の差は１８０
°−（７７°＋４３°）＝６０°となるので、ほとんど
漏れ光を検出することはなく、高いＳ／Ｎ比を得ること
ができる。また、（ａ）の状態と（ｂ）の状態との間の
スイッチング時間は数１０μｓのオーダーが得られ、こ
の値はバルク液晶に比べ２桁程度高速になっている。

【００７１】液晶ドロップレットサイズと応答速度の関
係についてさらに詳細に調べた結果を以下に示す。高分
子分散液晶における液晶ドロップレットの大きさは、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。

【００７２】図９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。液晶材料はＥ７及びＢ
Ｌ２４（メルク社）、プレポリマーはＮＯＡ６０，６５
及び８１（ノーランド社）を適宜用いた。

【００７３】図１０は、応答速度測定装置の一例を示す
図である。応答速度の測定は、図１０に示す装置を用い
て、試料１２７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１０において、１２
１はレーザ、１２２は偏光子、１２３，１２４はレン
ズ、１２５は検光子、１２６はパワーメータ、１２７は
試料、１２９はＡｕ電極、１３０はＳｉ基板、１３１は
高分子分散液晶層である。なお、試料１２７は高分子分
散液晶層１３１の厚さを２０μｍ、光路長を１ｍｍとし
た。

【００７４】図１１は、高分子分散液晶に電界が印加さ
れていない時と印加されている時の様子を模式的に示す
図である。電界が印加されていない時には、図１１
（Ａ）に示すように、液晶ドロップレット１１９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１３２を印加すると、図１１（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軸及び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。

【００７５】図１１に示すように、レーザ光源１２１か
らの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１２５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９の応答速度は本発明においても同様
に適用できる。図９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。

【００７６】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（４）のように表される。 T=exp(-NRL)，R=24π³((m²-1)/(m²+2))²V²/λ⁴ …（４）

【００７７】式（４）において、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＝１.０７、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）及び波長λをパラメータとして
計算した。式（４）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。

【００７８】図１２は、Ｔ＝０.９となる粒径を体積分
率が１０％（ｄ（０.１））、３０％（ｄ（０.３））及
び５０％（ｄ（０.５））の場合について、波長に対し
てプロットした図である。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、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１２より、光路切替素子（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、λ／１０以下
であることがより好ましい。なお、この計算ではｍ及び
Ｌを固定したが、実デバイスにおいてこれ以下の値であ
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。

【００７９】（実施の形態８）図１３は、本発明の第８
の実施形態を説明するための図である。本実施形態にお
ける光路切替素子は、電圧無印加時（図１３（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７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１３（Ｂ）の時）
に液晶分子が揃う方向（電界方向）とほぼ直交し、光入
射部１０３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、θ₂の変化量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。

【００８０】具体的には７の実施形態と同様の材料及び
処方の高分子分散液晶を用いた場合、図１３（Ａ）の時
に高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（≒ｎｅ＝
１.７１７）と高分子マトリクスの屈折率（≒１.５６）
との体積平均（≒１.６１）と見なすことができる。第
７の実施形態と同様に入射角を７５°に設定すると、屈
折角は６６°となるので、α＝３３°に設定すれば反射
光は光入射部にほぼ垂直に入射する。β＝３７°に設定
すると反射光は光出射部１０４に対してφ₁=３７°で入
射し、出射角φ₂＝６６°で出射する。図１３（Ｂ）の
時には液晶分子が電界方向に配列し、Ｓ偏光に対する高
分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（≒ｎｏ＝１.
５１３）と高分子マトリクスの屈折率（≒１.５６）と
の体積平均（≒１.５４）と見なすことができる。この
時、屈折角は７２°となり、反射光は光出射部１０４に
対してφ₁'＝４３°で入射する。この時式（２）を満た
すので、反射光は光出射部１０４において全反射する。
この場合出射角の差は１８０°−（４３°＋６６°）＝
７１°以上となり、第７の実施形態よりも大きくなる。

【００８１】さらに付言すれば、入射角を６０°に設定
した場合、図１３（Ａ）の時、屈折角は５５°となる。
α＝２７.５°，β＝３９°に設定すると、φ₁＝３９
°,φ₂＝７３°となる。また、図１３（Ｂ）の時、φ₁
＝４３°となって全反射する。この時、出射角の差は１
８０°−（７３°＋４３°）＝６４°となる。入射角が
７５°の場合に比べて出射角の差は小さくなるが、実用
上充分な値である。なお、特に後述のような二次元空間
光変調器やそれを用いた画像表示装置に適用する場合、
入射角が小さい（好ましくは６０°以下である）方が照
明光学系の設計が容易になるので望ましい。

【００８２】液晶分子を予め一方向に配列させる方法と
して、前述のような配向膜を用いる方法以外に以下に示
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。

【００８３】（実施の形態９）図１４及び図１５は、本
発明の第９の実施形態を説明するための図で、図中、１
４０は一次元空間光変調器１４０で、図１４（Ａ）は斜
視図、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）をａ方向から、図１
４（Ｃ）は図１４（Ａ）をｂ方向から見た図である。基
本的な構成は第７の実施の形態と同様であるが、個別電
極を兼ねる金属膜１０７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（金属
膜１０７）からの反射光のみが光出射部１０４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。

【００８４】また図１５に示すように、空間光変調器１
４０の個別電極１０７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１３７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１３８によってスクリーン１３９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１５にお
いて、光源１３４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１３５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。

【００８５】（実施の形態１０）図１６は、本発明の第
１０の実施形態を説明するための図で、二次元空間光変
調器１５０の斜視図である。基本的な構成は図１４と同
様であるが、個別電極を兼ねる金属膜１０７が二次元ア
レイ状に配置されている。反射部材１０６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（金属膜１０７）からの反射光
のみが光出射部１０４から出射し、面状の光のＯＮ／Ｏ
ＦＦ（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１５に示し
たような走査機構は不要で、光出射部の外側に投影レン
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。

【００８６】なお、図１４、図１６では導光部材１０１
を共通にして一つにしているが、導光部材１０１を各光
路切替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。

【００８７】（実施例１）図１７は、二次元空間光変調
器の製作工程の一例を説明するための図で、反射部材の
作製，セルの作製，液晶の注入，導光部材の接合の工程
を順に図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）に示すものである。（Ａ）反射部材の作製Ｓｉ基板１０９の表面にＭＯＳＦＥＴによる駆動素子１
５１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１０８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及びコ
ンタクトホール１５２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１０７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１５３を形成した。

【００８８】（Ｂ）セル作製クラウンガラス（ＢＫ７）からなる平板導光体１１７の
片面に５０ｎｍ厚のＩＴＯからなる透明電極１１０及び
ポリイミドからなる配向膜１５４を形成したものと図１
７（Ａ）に示した反射部材とを、エポキシ樹脂からなる
シール材１１１を用いて貼り合わせ、空セルを作製し
た。シール材の一部には注入孔を設けた。

【００８９】（Ｃ）液晶の注入図１７（Ｂ）に示した空セル内を真空排気した後、液晶
（Ｅ７）１０５を注入し、注入孔を封止した。

【００９０】（Ｄ）導光部材接合平板導光体１１７の上面に光硬化性接着剤を用いて、導
光部材１０１及び第二の導光部材１１４を接合した。

【００９１】上述のようにし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６７０ｎ
ｍ）をＳ偏光として、入射面１００を介して光入射部１
０３より入射し、駆動素子１５１により画像データに応
じて選択的に個別電極１０７に電圧（５Ｖ）を印加した
ところ、第二の光出射部１１６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（２値）を得ることができた。

【００９２】（実施例２）図１８は、二次元空間光変調
器の製作工程の他の例を説明するための図で、反射部材
の作製，セルの作製，注入，硬化，導光部材の接合の工
程を順に図１８（Ａ）〜図１８（Ｅ）に示すものであ
る。（Ａ）反射部材の作製Ｓｉ基板１０９の表面にＭＯＳＦＥＴによる駆動素子１
５１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１０８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及びコ
ンタクトホール１５２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１０７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１５３を形成した。

【００９３】（Ｂ）セル作製クラウンガラス（ＢＫ７）からなる平板導光体１１７の
片面に５０ｎｍ厚のＩＴＯからなる透明電極１１０及び
ポリイミドからなる配向膜１５４を形成したものと、図
１８（Ａ）に示した反射部材とをエポキシ樹脂からなる
シール材１１１を用いて貼り合わせ、空セルを作製し
た。シール材の一部には注入孔を設けた。

【００９４】（Ｃ）注入図１８（Ｂ）に示した空セル内を真空排気した後、液晶
（ＢＬ２４）と紫外線硬化性化合物（ＮＯＡ８１）の混
合物１５５（液晶濃度４５ｗｔ％）を注入し、注入孔を
封止した。

【００９５】（Ｄ）硬化高圧水銀ランプによりＵＶ光（４００ｍＷ／ｃｍ²）１
５６を照射し、高分子分散液晶１０５を形成した。

【００９６】（Ｅ）導光部材接合平板導光体１１７の上面に光硬化性接着剤を用いて、導
光部材１０１及び第二の導光部材１１４を接合した。

【００９７】上述のようにし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６７０ｎ
ｍ）をＳ偏光として、入射面１００を介して光入射部１
０３より入射し、駆動素子１５１により画像データに応
じて選択的に個別電極１０７に電圧（１５Ｖ）を印加し
たところ、第二の光出射部１１６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（６４諧調）を得ることができ
た。

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば、導光部材を介した光入
射部と、光入射部から入った入射光を反射する反射部と
の間に屈折率可変物質を封入し、信号印加によってその
屈折率を入射光が導光部材と屈折率可変物質との界面で
全反射しない範囲で変化させ、反射部で反射した光を導
光部材を介して外部へ出射するときの光路を変えるよう
にするとともに、光出射部を構成する面の法線と導光部
材中を透過する入射光の光軸とのなす角度が、光入射部
を構成する面の法線と導光部材中を透過する入射光の光
軸とのなす角度よりも小さくしたので、構造が簡単で耐
久性が高く、部材コストを低減できるとともに、装置設
計の自由度が高い光路切替素子を提供することができ
る。

【００９９】本発明によれば、上記光路切替素子をアレ
イ状に配列したので、構造が簡単で耐久性が高く、部材
コストを低減でき、装置設計の自由度が高い空間光変調
器を提供することができる。

【０１００】本発明によれば、上記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、
耐久性が高く、低コストで装置設計の自由度が高い画像
表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための
図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を説明するための
図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態を補足して説明す
るための図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態を説明するための
図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態を説明するための
図である。

【図６】本発明の第５の実施の形態を説明するための
図である。

【図７】本発明の第６の実施の形態を説明するための
図である。

【図８】本発明の第７の実施の形態を説明するための
図である。

【図９】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。

【図１０】応答速度測定装置の一例を示す図である。

【図１１】高分子分散液晶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す図である。

【図１２】Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０
％、３０％及び５０％の場合について、波長に対してプ
ロットした図である。

【図１３】本発明の第８の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１４】本発明の第９の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１５】本発明の第９の実施の形態を説明するため
の図である。

【図１６】本発明の第１０の実施の形態を説明するた
めの図である。

【図１７】二次元空間光変調器の製作工程の一例を説
明するための図である。

【図１８】二次元空間光変調器の製作工程の他の例を
説明するための図である。

【図１９】従来の空間光変調器の平面図である。

【図２０】図１９に示した空間光変調器のひとつの回
転鏡の断面図である。

【図２１】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。

【図２２】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。

【符号の説明】

１…入射光、１０１…導光部材、１０２…外部物質、１
０３…光入射部、１０４…光出射部、１０５…屈折率可
変物質、１０６…反射部材、１０７…金属膜、１０８…
絶縁体、１０９…基板、１１０…透明電極、１１１…シ
ール剤、１１２…液晶分子、１１３…光検出器、１１４
…第二の導光部材、１１５…反射部、１１６…第二の光
出射部、１１７…平板導光体、１１８…逆傾斜面、１１
９…液晶ドロップレット、１２０…高分子マトリクス、
１２１…レーザ、１２２…偏光子、１２３，１２４…レ
ンズ、１２５…検光子、１２６…パワーメータ、１２７
…試料、１２８…反射面、１２９…Ａｕ電極、１３０…
Ｓｉ基板、１３１…高分子分散液晶層、１３２…電界、
１３４…光源、１３５…コリメートレンズ、１３７…走
査機構、１３８…投影レンズ、１３９…スクリーン、１
４０，１５０…空間光変調器、１５１…駆動素子、１５
２…コンタクトホール、１５３，１５４…配向膜、１５
５…液晶／紫外線硬化性化合物混合体、１５６…紫外
線、１５８…光処理部、１５９…第二の光処理部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｂ 21/28 Ｇ０３Ｂ 21/28 Ｆターム(参考） 2H088 EA12 HA21 HA30 MA20 2H089 HA04 QA16 TA17 TA20 UA05 2H091 FA08X FA08Z FA14Z FA21X FA23Z LA30 MA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導光部材を介した光入射部と、該光入射
部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反
射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ
取り出す光出射部とよりなる光路切替素子で、前記光入
射部と反射部との間の光路中に屈折率可変物質を封入
し、該屈折率可変物質に信号を与え屈折率変化を生じせ
しめる信号入力手段を具備するとともに、前記信号によ
る前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前
記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範
囲で行う光路切替素子において、前記光出射部を構成す
る面の法線と、前記光入射部に到達する前の前記導光部
材中を透過する光の光軸とのなす角度が、前記光入射部
を構成する面の法線と、該光入射部に到達する前の前記
導光部材中を透過する光の光軸とのなす角度よりも小さ
いことを特徴とする光路切替素子。
【請求項２】導光部材を介した光入射部と、該光入射
部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反
射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ
取り出す光出射部とよりなる光路切替素子で、前記光入
射部と反射部との間の光路中に屈折率可変物質を封入
し、該屈折率可変物質に信号を与え屈折率変化を生じせ
しめる信号入力手段を具備するとともに、前記信号によ
る前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前
記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範
囲で行う光路切替素子において、前記光出射部は、当該
光出射部を構成する面の法線が、前記光入射部を構成す
る面の法線に対し、入射側からみて右下がりとなるよう
に構成されていることを特徴とする光路切替素子。
【請求項３】導光部材を介した光入射部と、該光入射
部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反
射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ
取り出す光出射部とよりなる光路切替素子で、前記光入
射部と反射部との間の光路中に屈折率可変物質を封入
し、該屈折率可変物質に信号を与え屈折率変化を生じせ
しめる信号入力手段を具備するとともに、前記信号によ
る前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前
記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範
囲で行う光路切替素子において、前記光出射部における
出射光の出射点が、前記光入射部における入射光の出射
点側にあることを特徴とする光路切替素子。
【請求項４】前記信号による前記屈折率可変物質の屈
折率変化を、前記反射部で反射した光が前記導光部材と
該導光部材に接触する外部物質との界面で全反射する第
一の状態と、全反射しない第二の状態とをとることがで
きる範囲で行うことを特徴とする請求項１乃至３のいず
れか１記載の光路切替素子。
【請求項５】前記出射光を第二の導光部材を介して外
部へ出すことができる第二の光出射部を設けたことを特
徴とする請求項１乃至４のいずれか１記載の光路切替素
子。
【請求項６】前記光入射部に光学的接合し、前記導光
部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたことを特
徴とする請求項１乃至５のいずれか１記載の光路切替素
子。
【請求項７】前記反射部が一辺を共有する２つの面に
よって構成され、前記屈折率可変物質に進入した入射光
と前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度の動作
範囲における最大値をθ_2maxとすると、前記反射部を構
成する少なくとも１つの面の法線と前記光入射部を構成
する面の法線とのなす角度が９０°−θ_2max以下である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１記載の光
路切替素子。
【請求項８】前記反射部が、前記屈折率可変物質に信
号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有してい
ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１記載の
光路切替素子。
【請求項９】前記屈折率可変物質が液晶材料からなる
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１記載の光
路切替素子。
【請求項１０】前記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／高分子複合体から
なることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１記載
の光路切替素子。
【請求項１１】前記屈折率可変物質の液晶材料が入射
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１０記載の光路切替素子。
【請求項１２】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
９乃至１１のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項１３】請求項１乃至１２のいずれか１記載の
光路切替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。
【請求項１４】請求項１乃至１２のいずれか１記載の
光路切替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。
【請求項１５】請求項１３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。
【請求項１６】請求項１４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路切替素子の
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。