JP2003270680A - Optical path switching element, spatial light modulator, and image display device - Google Patents

Optical path switching element, spatial light modulator, and image display device

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JP2003270680A
JP2003270680A JP2002075596A JP2002075596A JP2003270680A JP 2003270680 A JP2003270680 A JP 2003270680A JP 2002075596 A JP2002075596 A JP 2002075596A JP 2002075596 A JP2002075596 A JP 2002075596A JP 2003270680 A JP2003270680 A JP 2003270680A
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optical path
switching element
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical path switching element and a spatial light modulator which have simple structure and have high durability and light use efficiency, and to provide an image display device using the same. <P>SOLUTION: The optical path switching element is provided with a light incidence part 3 on which light is made incident through a light guiding member 1, a reflection part 6 which reflects incident light made incident from the light incidence part 3, and a light emission part 4 which emits light reflected by the reflection part 6 to the outside as exit light through the light guiding member 1. A refractive index varying material 5 is enclosed in an optical path including the reflection part 6, and a signal is given to the refractive index varying material 5 in accordance with information to change the refractive index, thus switching the optical path. The reflection part 6 has a plurality of reflection faces 18, and intervals of adjacent reflection faces 18 arranged in the direction of light incidence are not made uniform in the arrangement direction. Thus, spread of light reflection caused by diffraction is suppressed to improve the light use efficiency. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、光路切替素子、空
間光変調器および画像表示装置に関し、より詳細には、
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光路切替素子、及び、それを
用いた空間光変調器及び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 path switching element, a spatial light modulator and an image display device, and more specifically,
The present invention relates to an optical path switching element that switches an optical path by changing a reflection direction of incident light to switch light, and a spatial light modulator and an image display device using the same.

【0002】[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および
それを用いた空間光変調器として、例えば特開平5−1
96880号公報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。図19は従来
の空間光変調器の平面図であり、方形トーションビーム
反射表面60とビーム支持ポスト61のみが観察され
る。図20は図19に示す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61はポスト73に連結されたヒンジ7
1の捻れによって、ビーム60を接地電極72に向けて
回転可能にする。その駆動力はポスト74によって支持
されたアドレス電極75に印加される電圧で与えられ
る。アドレス電極75への電圧印加は、基板層82に設
けられたCMOS回路(図示せず)の信号を金属層81
を介して伝達することにより行われる。ビーム60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。この方式にお
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。
2. Description of the Related Art A device for switching light by changing an optical path by changing a reflection direction of incident light and a spatial light modulator using the same are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-1.
It is known that a large number of minute rotating mirrors as shown in Japanese Patent No. 96880 are arranged two-dimensionally. FIG. 19 is a plan view of a conventional spatial light modulator, in which only the rectangular torsion beam reflecting surface 60 and the beam support post 61 are observed. 20 is a cross-sectional view of one rotating mirror of the spatial light modulator shown in FIG. 19, FIG. 20 (A) is a cross-sectional view taken along a hinge, and FIG. 20 (B) is a cross-sectional view taken in a direction perpendicular to it. The beam support post 61 is a hinge 7 connected to the post 73.
A twist of 1 allows the beam 60 to rotate towards the ground electrode 72. The driving force is given by the voltage applied to the address electrode 75 supported by the post 74. The voltage is applied to the address electrode 75 by applying a signal from a CMOS circuit (not shown) provided on the substrate layer 82 to the metal layer 81.
It is done by transmitting through. By changing the rotation state of the beam 60 for each rotating mirror, the incident light can be spatially two-dimensionally modulated. In this method, the structure of the rotary mirror is complicated in order to obtain a large rotation angle, and there is a problem that the manufacturing cost becomes high.

【0003】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光スイッチング素子が
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94を備えた導光部9
0と、全反射面に対し抽出面101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102と、この光スイッチング部を駆動する
駆動部110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
110を動作させることによってプリズム102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90中を伝搬し
てきた光線91は図21に示されるように全反射面94
で全反射され図の右方向へ光線93として出射してい
く。駆動部110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102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90中を伝
搬してきた光線91は図21の左側セルに示されたよう
に全反射面94で反射することなくプリズム102に進
入する。プリズム102に進入した光線はプリズムの反
射面102aで反射して図21に示した光線92のよう
に導光部90を透過して出射される。
Another technique is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-20.
There is an optical switching element disclosed in Japanese Patent No. 2222. FIG. 21 is an operation explanatory diagram of the optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-202222. Light guide section 9 provided with a total reflection surface 94 capable of totally reflecting and transmitting light
0, a prism 102 capable of capturing the evanescent light by bringing the extraction surface 101 close to the total reflection surface, reflecting the light and emitting the evanescent light, and a drive unit 110 driving the optical switching unit. On the other hand, it is configured to be laminated in this order. The cell on the right side of FIG. 21 shows a state in which the prism 102 is located at a position separated by the extraction distance or more at which the evanescent light leaks by operating the driving unit 110. At this time, the light ray 91 propagating in the light guide section 90 is totally reflected by the total reflection surface 94 as shown in FIG.
Is totally reflected by and is emitted as a light ray 93 in the right direction in the figure. When the drive unit 110 is not operated, the prism 102 is closer than the extraction distance where the evanescent light leaks like the cell on the left side of FIG. As shown in FIG. 5, the light enters the prism 102 without being reflected by the total reflection surface 94. The light rays that have entered the prism 102 are reflected by the reflecting surface 102a of the prism and are transmitted through the light guide portion 90 and emitted as the light rays 92 shown in FIG.

【0004】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102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102を全反
射面94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。
In this system, to switch between two states of extraction and non-extraction of evanescent light,
A relatively simple driving mechanism can be adopted because it requires only a minute displacement of about the wavelength of light or less, but since the structure of the prism 102 as shown in FIG. It is difficult to form the film uniformly on the substrate, so that there is a problem that the manufacturing yield is reduced and the cost is increased. Further, when the prism 102 is brought close to the total reflection surface 94, there is a problem that van der Waals force or liquid bridging force acts and peeling becomes difficult.

【0005】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光スイッチング素子
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121に接
触させた液晶126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)122が全反射光1
24として出射される状態と、透過光となったのち反射
膜125によって向きを変えられて反射光123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、光の入射方向に配列して
いる反射面が一定周期で並んでいる場合には回折によっ
て出射光が広がり、光利用効率が低下するという問題が
ある。
Still another technique is Japanese Patent Laid-Open No. 2000-1.
There is an optical switching element disclosed in Japanese Patent No. 71813. FIG. 22 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-171813. By applying a voltage to the liquid crystal 126 brought into contact with the light guide body 121 that transmits light by total reflection, the orientation of the liquid crystal molecules is controlled, and thereby the effective refractive index is adjusted to a value for extraordinary light and a value for extraordinary light. Vary between. As a result, the incident light (linearly polarized light) 122 is totally reflected light 1
It is possible to switch between a state of being emitted as 24 and a state of being transmitted light and then being turned by the reflective film 125 to be emitted as the reflected light 123. This system does not have the above-mentioned problems because it does not have a mechanical driving part, but when the reflecting surfaces arranged in the incident direction of light are arranged at a constant cycle, the emitted light is diffracted. However, there is a problem that the light utilization efficiency decreases.

【0006】[0006]

【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、光利用効率の
高い光路切替素子、空間光変調器、およびそれを用いた
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、かつ光利用効
率の高い光路切替素子を提供すること(請求項1)、
(2)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2)、(3)より低コストで信頼性の高
い光路切替素子を提供すること(請求項3)、(4)上
記に加え、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4)(5)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5)(6)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)、(7)さらに製造が容易で、光利用効率
を高くできる光路切替素子を提供すること(請求項
7)、(8)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8)、(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9)、
(10)上記に加え、さらに光利用効率を高くできる光
路切替素子を提供すること(請求項10)、(11)さ
らに応答速度の速い光路切替素子を提供すること(請求
項11)、(12)構造が簡単で耐久性が高く、光利用
効率の高い空間光変調器を提供すること(請求項1
2)、(13)耐久性が高く、光利用効率の高い画像表
示装置を提供すること(請求項13)、をその目的とす
る。
The present invention solves the above problems and has a simple structure, high durability, and high light utilization efficiency, an optical path switching element, a spatial light modulator, and an image display using the same. The purpose is to provide a device. More specifically, (1) to provide an optical path switching element having a simple structure, high durability, and high light utilization efficiency (claim 1),
(2) to provide an optical path switching element capable of increasing the S / N ratio (claim 2); and (3) to provide an optical path switching element with low cost and high reliability (claim 3), (4) ) In addition to the above, an optical path switching element capable of further increasing the S / N ratio is provided (claim 4) (5) An optical path switching element capable of further increasing the S / N ratio is provided (claim 5) (6). ) In addition to the above, to provide an optical path switching element that is easy to manufacture (claim 6), (7) To provide an optical path switching element that is easy to manufacture and can improve light utilization efficiency (claim 7), (8) In addition to the above, providing an optical path switching element having a fast response speed (claim 8), (9) In addition to the above, providing an optical path switching element having a small optical loss (claim 9),
(10) In addition to the above, an optical path switching element capable of further increasing the light utilization efficiency is provided (claim 10), (11) An optical path switching element having a faster response speed is provided (claim 11), (12). ) To provide a spatial light modulator having a simple structure, high durability, and high light utilization efficiency (claim 1)
2) and (13) It is an object of the invention to provide an image display device having high durability and high light utilization efficiency (claim 13).

【0007】[0007]

【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出す光出射部とより
なり、前記反射部を含む光路中に屈折率可変物質が封入
され、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光路切替
素子において、前記反射部は、複数の反射面が光の入射
方向に配列した構成を有しており、該配列した隣接反射
面の間隔が配列方向において一定でないことを特徴とし
たものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a light incident portion via a light guide member, a reflecting portion for reflecting incident light entering from the light incident portion, and light reflected by the reflecting portion. Is a light emitting portion that emits to the outside as emitted light through the light guide member, a refractive index variable substance is enclosed in an optical path including the reflecting portion, and a signal is transmitted to the refractive index variable substance according to information. In an optical path switching element having a signal input means for causing a change in refractive index, the reflecting portion has a configuration in which a plurality of reflecting surfaces are arranged in a light incident direction, and an interval between adjacent arranged reflecting surfaces. Is not constant in the array direction.

【0008】請求項2の発明は、請求項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、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質と
の界面で透過及び全反射する範囲で行うことを特徴とし
たものである。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the incident light is transmitted through the interface between the light guide member and the refractive index variable substance by the change in the refractive index of the refractive index variable substance due to the signal. It is characterized in that it is performed in a range where total reflection occurs.

【0009】請求項3の発明は、請求項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、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質と
の界面で全反射しない範囲で行う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 aspect of the present invention, the change in the refractive index of the variable refractive index substance due to the signal is completely absorbed by the incident light at the interface between the light guide member and the variable refractive index substance. It is characterized in that it is performed in a range that does not reflect light.

【0010】請求項4の発明は、請求項3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光出射部において前
記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を特徴としたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the change in the refractive index of the variable refractive index material due to the signal is reflected by the reflecting section at the light emitting section and the light guide member and It is characterized in that it is performed within a range in which a first state in which total reflection occurs at an interface with an external substance that comes into contact and a second state in which total reflection does not occur can be obtained.

【0011】請求項5の発明は、請求項3または4のい
ずれか一項の発明において、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。
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the third and fourth aspects, there is provided a second light emitting portion capable of outputting the emitted light to the outside through the second light guide member. It is characterized by being provided.

【0012】請求項6の発明は、請求項1乃至5のいず
れか一項の発明において、前記光入射部に光学的に接合
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。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a flat plate light guide according to any one of the first to fifth aspects, which is optically joined to the light incident portion and has a refractive index substantially equal to that of the light guide member. It is characterized by being provided.

【0013】請求項7の発明は、請求項1乃至6のいず
れか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶か
らなることを特徴としたものである。
According to a seventh aspect of the invention, in the invention according to any one of the first to sixth aspects, the refractive index variable substance is liquid crystal.

【0014】請求項8の発明は、請求項1乃至6のいず
れか一項の発明において、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。
According to an eighth aspect of the invention, in the invention according to any one of the first to sixth aspects, the refractive index variable substance is a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix. It is characterized by.

【0015】請求項9の発明は、請求項8の発明におい
て、液晶が入射光の波長の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。
The invention of claim 9 is characterized in that, in the invention of claim 8, the liquid crystal is a droplet having a particle diameter of ⅕ or less of a wavelength of incident light.

【0016】請求項10の発明は、請求項7乃至9のい
ずれか一項の発明において、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を特徴としたもの
である。
According to a tenth aspect of the invention, in the invention according to any one of the seventh to ninth aspects, all the liquid crystal molecules are aligned in substantially one direction when no voltage is applied.

【0017】請求項11の発明は、請求項7乃至10の
いずれか一項の発明において、前記液晶が二周波駆動液
晶であ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, in the invention according to any one of the seventh to tenth aspects, the liquid crystal is a dual frequency drive liquid crystal.

【0018】請求項12の発明は、請求項1乃至11の
いずれか一項に記載の光路切替素子の反射面が二次元ア
レイ状に配列された空間光変調器であって、各反射面に
接する屈折率可変物質への信号印加を反射面ごとに独立
に制御することによって二次元の光変調を行うことを特
徴としたものである。
A twelfth aspect of the present invention is a spatial light modulator in which the reflecting surfaces of the optical path switching element according to any one of the first to eleventh aspects are arranged in a two-dimensional array, and each reflecting surface has a reflecting surface. It is characterized in that two-dimensional optical modulation is performed by independently controlling the signal application to the refractive index variable substance in contact with each of the reflecting surfaces.

【0019】請求項13の発明は、請求項12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 thirteenth aspect of the present invention, the spatial light modulator according to the twelfth aspect, means for causing a light beam to enter the spatial light modulator, and an image formed by the spatial light modulator are projected and displayed on a screen. And means.

【0020】なお、ここで光の入射方向に配列する複数
の反射部は、入射光を反射部の斜め上方から入射させる
本素子においては、反射部を形成した反射部材を積層す
る基板面に対して光の入射光軸を垂直方向から投影した
投影軸方向に該反射部が配列しているものとして説明さ
れる。
Here, in the present embodiment, the plurality of reflecting portions arranged in the light incident direction allow incident light to be incident obliquely above the reflecting portion, and in the present element, the reflecting member on which the reflecting portion is formed is laminated on the substrate surface. It is assumed that the reflecting portions are arranged in the projection axis direction obtained by projecting the incident optical axis of light from the vertical direction.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、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に屈折率可変物質が封入され、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光路切替素子におい
て、前記反射部が複数の反射面を有しており、光の入射
方向に配列する隣接反射面の間隔が配列方向に対して一
定でないことを特徴とする光路切替素子にある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The feature of the present invention is that a light incident portion via a light guide member, a reflecting portion for reflecting incident light entering from the light incident portion, and light reflected by the reflecting portion are The refractive index variable substance is enclosed in the optical path including the reflection part, and is provided with a light emitting part that emits to the outside through the light guide member, and a refractive index is given to the refractive index variable substance according to information. In an optical path switching element having a signal input means for causing a change, the reflecting portion has a plurality of reflecting surfaces, and an interval between adjacent reflecting surfaces arranged in the light incident direction is not constant with respect to the arrangement direction. The optical path switching element is characterized by

【0022】ここで、導光部材の屈折率をn、屈折率
可変物質の屈折率をnとし、導光部材中を透過する光
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 、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
θとすると、スネルの法則により、以下の式が成り立
つ。 sinθ/sinθ=n/n…(1)
Here, let the refractive index of the light guide member be n.1, Refractive index
The refractive index of the variable substance is nTwoAnd the light transmitted through the light guide member
Is an angle (incident angle) with the normal of the surface that constitutes the light incident part
Θ 1, When the incident light enters the refractive index variable substance,
The angle (refraction angle) formed by the normal line of the surface forming the light incident part
θTwoThen, the following equation holds according to Snell's law.
One. sin θTwo/ Sin θ1= N1/ NTwo… (1)

【0023】外部信号によってnが変化すると、
(1)式に従ってθが変化し、その結果、反射部での
反射角が変わる、あるいはnがnよりも小さくなり
以下の式(2)を満足する場合には、入射光は導光部材
と屈折率可変物質との界面で全反射する。 nsinθ>n …(2) これにより所定の位置で光出力を検出すれば、n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。
When n 2 is changed by an external signal,
When θ 2 changes according to the equation (1), and as a result, the reflection angle at the reflecting portion changes, or n 2 becomes smaller than n 1 and the following equation (2) is satisfied, the incident light is not guided. Total reflection occurs at the interface between the optical member and the refractive index variable substance. n 1 sin θ 1 > n 2 (2) Thus, if the light output is detected at a predetermined position, the light output changes with a change in n 2 , and optical switching by signal application becomes possible.

【0024】本発明では、上記作用をする光路切替素子
において、反射部が複数の反射面を有しており、光の入
射方向に配列する隣接反射面の間隔が配列方向に対して
一定でないようにしているので、回折による出射光の広
がりを減少させることができ、その結果光利用効率を高
くすることができる(請求項1)。
According to the present invention, in the optical path switching element that operates as described above, the reflecting portion has a plurality of reflecting surfaces, and the intervals between adjacent reflecting surfaces arranged in the light incident direction are not constant with respect to the arrangement direction. Therefore, the spread of the emitted light due to diffraction can be reduced, and as a result, the light utilization efficiency can be improved (claim 1).

【0025】また、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
質との界面で透過及び全反射する範囲で行うので、高い
S/N比を得ることができる(請求項2)。
Further, since the refractive index of the variable refractive index substance is changed by a signal within a range in which the incident light is transmitted and totally reflected at the interface between the light guide member and the variable refractive index substance, a high S / N ratio is obtained. Can be obtained (Claim 2).

【0026】また、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ことで、導光部材
の屈折率の制約が少ないため、安価な材料を用いてデバ
イスおよびシステムを実現することができる(請求項
3)。
Further, the refractive index of the light guide member is changed by a signal within a range in which the incident light is not totally reflected at the interface between the light guide member and the light guide member. Since there are few restrictions of (3), devices and systems can be realized using inexpensive materials (claim 3).

【0027】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、θ
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)。
In the above description, the change in the refractive index of the variable-refractive-index material due to a signal is referred to as a first state in which the light reflected by the reflecting portion is totally reflected at the interface between the light guide member and the external material in contact with it in the light emitting portion. However, it is preferable to perform it within a range in which the second state in which the total reflection does not occur can be taken. In this case, θ 2
The amount of change in the output angle is much larger than the amount of change in
A higher S / N ratio is obtained (claim 4).

【0028】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)。
Further, it is preferable to provide a second light emitting portion capable of outputting emitted light to the outside through the second light guide member. The light emitted from the light emitting portion again enters the second light guide member and is emitted from the second light emitting portion. The amount of change in the emission angle at this time can be made larger than that without the second light guide member, and a higher S / N ratio can be obtained (claim 5).

【0029】また、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合させ
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)。
Further, it is preferable to provide a flat plate light guide member which is optically joined to the light incident part and has a refractive index substantially equal to that of the light guide member, from the viewpoint of easy manufacture. In this case, since the light guide member may be optically joined after the device including the flat plate light guide, the reflection part, and the variable refractive index material enclosed between the devices is manufactured, the light guide having a complicated shape may be used. Manufacturing is significantly easier than manufacturing a device using a member (claim 6).

【0030】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および流動性が
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、入射角θを小さくすることができる、ある
いは角度マージンを大きくすることができる。その結果
光損失を小さく、すなわち光利用効率を高くすることが
できる。また、流動性があることにより導光部材(ある
いは平板導光体)およ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7)。
As the refractive index variable substance, any substance whose refractive index is changed by applying energy from the outside can be used, but a so-called electro-optical material whose refractive index is changed by an electric field for ease of control. Can be preferably used. As the electro-optical material, solid crystals such as LiNbO 3 exhibiting the Pockels effect, BaTiO 3 exhibiting the Kerr effect, PLZT, and liquid crystals are known. Among them, a large amount of change in refractive index per electric field strength and fluidity are known. Liquid crystal is preferable because of its presence. Since the amount of change in the refractive index is large, the incident angle θ 1 can be reduced or the angle margin can be increased. As a result, light loss can be reduced, that is, light utilization efficiency can be increased. Further, since it has fluidity, it is possible to easily realize optical contact with the light guide member (or the flat plate light guide) and the reflecting portion (claim 7).

【0031】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8、9)。
From the viewpoint of response speed, it is preferable to use a liquid crystal / polymer composite as the refractive index variable substance. As such a liquid crystal / polymer composite, a so-called polymer dispersed liquid crystal in which liquid crystal droplets are dispersed in a polymer matrix can be preferably used. It has been experimentally found that the response speed of polymer-dispersed liquid crystals becomes faster as the particle size of liquid crystal droplets is made smaller, and in particular, it is ⅕ of the wavelength of incident light.
The particle size below is preferable because scattering is reduced and light transmittance is increased, that is, light loss is significantly reduced. The particle size referred to here is a particle size representative of the structure, and normally, the average particle size measured by an electron micrograph or the like is preferably used (claims 8 and 9).

【0032】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、入射角θを小さくすることができる、あるいは角
度マージンを大きくすることができる。その結果光損失
を小さく、すなわち光利用効率を高くすることができる
(請求項10)。
In the above liquid crystal, it is preferable that all liquid crystal molecules are aligned substantially in one direction when no voltage is applied. By making this direction substantially orthogonal 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, so that the incident angle θ 1 can be reduced or the angle margin can be increased. . As a result, light loss can be reduced, that is, light utilization efficiency can be increased (claim 10).

【0033】上記の液晶は二周波駆動液晶であることが
好ましい。二周波駆動液晶とは液晶に印加する電圧の周
波数によって液晶の誘電異方性の符号が異なる液晶で、
高速な配向動作に特徴がある。誘電異方性とは液晶分子
の長軸方向と短軸方向で誘電率が異なる性質で、電界を
印加したときに誘電率の大きい方向が電界方向に向く。
液晶分子の長軸方向の誘電率が短軸方向の誘電率よりも
大きい時を誘電異方性が正とするので、誘電異方性が正
の場合には液晶分子の長軸が電界方向に配向し、誘電異
方性が負の場合には液晶分子の短軸が電界方向に配向す
る。二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向させる場
合でも、短軸を電界方向に配向させる場合でも、液晶分
子にローレンツ力が作用するため、ネマティック液晶な
ど通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に行われるの
で、応答速度を速くすることができる(請求項11)。
The liquid crystal is preferably a dual frequency drive liquid crystal. The dual frequency drive liquid crystal is a liquid crystal in which the sign of the dielectric anisotropy of the liquid crystal differs depending on the frequency of the voltage applied to the liquid crystal,
It is characterized by a high-speed alignment operation. Dielectric anisotropy is a property in which the dielectric constant differs between the major axis direction and the minor axis direction of liquid crystal molecules, and when an electric field is applied, the direction with the larger dielectric constant faces the electric field direction.
Since the dielectric anisotropy is positive when the dielectric constant in the major axis direction of the liquid crystal molecule is larger than the dielectric constant in the minor axis direction, when the dielectric anisotropy is positive, the major axis of the liquid crystal molecule is in the electric field direction. When the liquid crystal molecules are oriented and the dielectric anisotropy is negative, the short axis of the liquid crystal molecules is oriented in the electric field direction. In the dual-frequency driving liquid crystal, when the long axis is oriented in the electric field direction or when the short axis is oriented in the electric field direction, the Lorentz force acts on the liquid crystal molecules, so that the alignment movement is larger than that of a normal liquid crystal material such as nematic liquid crystal. Since it is performed at high speed, the response speed can be increased (claim 11).

【0034】上記本発明の光路切替素子において、反射
面を二次元アレイ状に配列し、各反射面に接する屈折率
可変物質への信号印加を反射面ごとに独立に制御するこ
とによって二次元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るため、
耐久性が高く安価で、かつ光利用効率が高くなる。(請
求項12)。
In the above-mentioned optical path switching element of the present invention, the reflecting surfaces are arranged in a two-dimensional array, and the signal application to the refractive index variable substance in contact with each reflecting surface is independently controlled for each reflecting surface, thereby forming a two-dimensional space. An optical modulator can be constructed. Since such a spatial light modulator has a simple structure,
High durability, low cost, and high light utilization efficiency. (Claim 12).

【0035】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、耐久性が高く安価
で、光利用効率の高い画像表示装置を構成することがで
きる(請求項13)。
By providing the above spatial light modulator, the light beam incident means, and the means for enlarging and projecting the image formed by the spatial light modulator on the screen, the image display device is durable and inexpensive and has high light utilization efficiency. Can be configured (claim 13).

【0036】(実施の形態1)図1及び図2は、本発明
の第1の実施形態を説明するための図である。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1を介
して光源からの光線を屈折率可変物質5に入射させる光
入射部3、反射部6で反射した光線を導光部材1の外部
へと出射させる光出射部4を有している。反射部6は入
射光を実質的に出射光に変換する反射面18と、これと
一辺を共有する逆傾斜面19によって構成される。反射
部6を含む反射部材15はSi、ガラス等からなる基板
9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8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7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7は電極としても作用す
る。基板9には金属膜7に情報に応じた信号電圧を印加
するための駆動素子が形成され、情報データを電圧信号
に変換するインターフェース部に接続されるのが好まし
い。
(Embodiment 1) FIGS. 1 and 2 are views for explaining a first embodiment of the present invention. Glass,
The light rays from the light source are incident on the refractive index variable substance 5 through the optically transparent light guide member 1 made of plastic or the like, and the light rays reflected by the reflection section 6 are transmitted to the outside of the light guide member 1. It has a light emitting portion 4 for emitting light. The reflecting portion 6 is composed of a reflecting surface 18 that substantially converts incident light into outgoing light, and an inverted inclined surface 19 that shares one side with the reflecting surface 18. The reflecting member 15 including the reflecting portion 6 is formed by forming an inclined surface on a substrate 9 made of Si, glass or the like with an insulator 8 made of glass, plastic or ceramics such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, etc. Al, Ag
It is possible to obtain the high reflectance metal film 7 made of, for example, by a known method such as vacuum deposition or sputtering. Moreover, you may pattern by photolithographic etching as needed. This metal film 7 also acts as an electrode. It is preferable that a drive element for applying a signal voltage corresponding to information is formed on the metal film 7 on the substrate 9 and is connected to an interface section for converting information data into a voltage signal.

【0037】反射部としては、絶縁体8が基板9を兼ね
る構成や金属板あるいは半導体ウエハを基板として直接
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5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。光入射部3に
は屈折率可変物質5に電圧を印加するためのITO等か
らなる透明電極10が設けられている。液晶分子を予め
配向させるためにSiO、ポリイミド等からなる図示し
ない配向膜を少なくとも透明電極10および金属膜7の
表面に形成するのが好ましい。屈折率可変物質5が液晶
のように流動性のある材料からなる時には、必要に応じ
てスペーサ材を混合したエポキシ樹脂等からなるシール
剤11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1(もしくは反射部材15)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15(もしくは導光部材
1)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。
As the reflecting portion, a structure in which the insulator 8 also serves as the substrate 9 or a structure in which the metal plate or the semiconductor wafer is used as the substrate to directly form the inclined surface may be used. As an example of a suitable inclined surface forming method, there is an anisotropic etching method of performing dry etching by patterning using a photomask on which a pattern of area gradation or density gradation is formed. Liquid crystal can be preferably used as the refractive index variable substance 5. As the liquid crystal material, nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, cholesteric liquid crystal or the like can be used, and a single or a mixture of two or more kinds of liquid crystal compounds or a mixture containing a substance other than the liquid crystal compounds may be used. The light incident part 3 is provided with a transparent electrode 10 made of ITO or the like for applying a voltage to the refractive index variable substance 5. An alignment film (not shown) made of SiO, polyimide or the like is preferably formed on at least the surfaces of the transparent electrode 10 and the metal film 7 in order to align the liquid crystal molecules in advance. When the variable refractive index material 5 is made of a fluid material such as liquid crystal, it is preferable to form and hold a sealing agent 11 made of an epoxy resin or the like mixed with a spacer material, if necessary. If an example of the manufacturing process is shown, a thermosetting epoxy resin is partially provided in the peripheral portion of the light guide member 1 (or the reflection member 15) as an opening portion (injection hole).
After printing, the reflective member 15 (or the light guide member 1) is attached and heat-cured. After injecting the liquid crystal through the injection hole, the hole is closed with an adhesive to complete the process.

【0038】図1は屈折率可変物質5の屈折率nが導
光部材の屈折率nより小さく、前述の式(2)を満た
すような信号を印加した場合で、入射光は入射部3で全
反射し、光出射部4とは異なる方向に出射するため、光
出射部4に対向して設けられた光検出器13では検出さ
れない(オフ状態)。図2はnがnと概略同程度と
なるような信号を印加した場合で、入射光は屈折率可変
物質5中に進入し、反射部6に到達する。反射面18の
法線と光入射部を構成する面の法線とのなす角度、すな
わち反射面18の傾斜角αをα=θ/2(≒θ
2)に設定しておけば、反射光は光出射部4に垂直に入
射し出射するため、光検出器13で検出される(オン状
態)。
FIG. 1 shows a case where the refractive index n 2 of the refractive index variable substance 5 is smaller than the refractive index n 1 of the light guide member and a signal satisfying the above formula (2) is applied. Since the light is totally reflected at 3 and emitted in a direction different from that of the light emitting portion 4, it is not detected by the photodetector 13 provided facing the light emitting portion 4 (OFF state). FIG. 2 shows a case where a signal is applied so that n 2 becomes approximately the same as n 1, and the incident light enters the refractive index variable substance 5 and reaches the reflection part 6. The angle between the normal line of the surface constituting the normal to the light incident portion of the reflecting surface 18, i.e. the inclination angle alpha of the reflecting surface 18 α = θ 2/2 ( ≒ θ 1 /
If it is set to 2), the reflected light is vertically incident on and emitted from the light emitting unit 4, and is detected by the photodetector 13 (ON state).

【0039】入射エリアが広い場合には複数の反射面を
形成することによって、光入射部3から反射部6までの
距離、すなわち屈折率可変物質5の層厚を小さくするこ
とができ、その結果屈折率変化を生じさせるために印加
する電圧信号等(駆動エネルギー)を小さくすることが
できる。また、二次元の空間光変調を行う場合には、画
像データ等に応じて独立に信号が印加できる複数の反射
面が必要である。このような場合に光の入射方向に配列
する隣接反射面の間隔が配列方向に対して一定である
と、各反射面から出射する光は回折を受けて正反射方向
と異なる方向に出射する成分が発生し、一部は光検出器
に取り込まれなくなるため、光利用効率が低下する。本
実施形態においては光の入射方向に配列する隣接反射面
18の間隔が配列方向に対して一定でないようにしてい
る。すなわち、図2に示すように隣接反射面18の間隔
を順にP1,P2,P3と異ならせることによって、回
折の影響を減少させている。
When the incident area is large, the distance from the light incident portion 3 to the reflecting portion 6, that is, the layer thickness of the refractive index variable substance 5 can be reduced by forming a plurality of reflecting surfaces, and as a result, It is possible to reduce a voltage signal or the like (driving energy) applied to cause a change in the refractive index. Further, in the case of performing two-dimensional spatial light modulation, it is necessary to have a plurality of reflecting surfaces to which signals can be independently applied according to image data and the like. In such a case, if the spacing between adjacent reflecting surfaces arranged in the light incident direction is constant with respect to the arrangement direction, the light emitted from each reflecting surface is diffracted and emitted in a direction different from the regular reflection direction. Occurs, and part of the light is not taken into the photodetector, resulting in a decrease in light utilization efficiency. In this embodiment, the intervals between the adjacent reflecting surfaces 18 arranged in the light incident direction are not constant in the arrangement direction. That is, as shown in FIG. 2, the influence of diffraction is reduced by making the interval between the adjacent reflecting surfaces 18 different from P1, P2, and P3 in order.

【0040】具体的な計算結果を示す。入射光と反射面
18の法線とのなす角度(反射面に対する入射角)をψ
i、回折光と反射面18の法線とのなす角度(法線方向
を0°としてψi方向を正にとる)をψd、回折次数を
n、波長をλ、反射面18の配列周期(ピッチ)をPと
すると、以下の式が成り立つ。 nλ=P(sinψi+sinψd) …(3) θ≒θ=70°、α=35°とすると、ψi=35
°となる。λ=0.63μmの時のψd(°)を式
(3)から計算した結果を表1に示す。
Specific calculation results will be shown. Let ψ be the angle between the incident light and the normal to the reflecting surface 18 (the angle of incidence on the reflecting surface).
i, the angle between the diffracted light and the normal of the reflecting surface 18 (ψi direction is positive with the normal direction being 0 °), the diffraction order is n, the wavelength is λ, and the array period of the reflecting surface 18 (pitch ) Is P, the following formula is established. nλ = P (sin ψi + sin ψd) (3) If θ 2 ≈θ 1 = 70 ° and α = 35 °, then ψi = 35
It becomes °. Table 1 shows the result of calculating ψd (°) from the equation (3) when λ = 0.63 μm.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】ピッチによらずn=0の時はψd=−35
°(正反射)である。2次の回折まで考慮すると、正反
射方向からの広がりはP=10μmで約±9°、P=3
0μmで約±3°、P=50μmで約±1.8°である
ことがわかる。駆動エネルギーあるいは二次元の空間光
変調を行う場合の空間分解能(解像度)の観点からはピ
ッチが小さい方が望ましい。図2において、仮にP1=
P2=P3=10μmとすると出射光は約±9°の広が
りを持つことになるが、P1=10μm、P2=12.
5μm、P3=7.5μmとすると一定周期とならない
ので回折は起こらない。
Ψd = -35 when n = 0 regardless of pitch
° (regular reflection). Considering up to the second-order diffraction, the spread from the specular direction is about ± 9 ° at P = 10 μm, P = 3
It can be seen that it is about ± 3 ° at 0 μm and about ± 1.8 ° at P = 50 μm. From the viewpoint of driving energy or spatial resolution (resolution) when performing two-dimensional spatial light modulation, a smaller pitch is desirable. In FIG. 2, if P1 =
When P2 = P3 = 10 μm, the emitted light has a spread of about ± 9 °, but P1 = 10 μm and P2 = 12.
If Pm = 5 μm and P3 = 7.5 μm, the period does not become constant, so no diffraction occurs.

【0043】さらに照射エリアを広げる、すなわち反射
面18の数を増やす場合には、平均のピッチを10μm
に保った(出射全光量の面内分布を均一化するために必
要)まま隣接する反射面18の間隔を全て異ならせるの
は製造上極めて困難である。その場合例えば各面間隔を
上記の値とし、P1,P2,P3,P1,P2,P3,
P1,P2,P3,…と繰り返せば周期PはP1+P2
+P3=30μmに増加し、出射光の広がりは約±3°
に減少する。さらにP1=10μm、P2=13μm、
P3=7μm、P4=11μm、P5=9μmとして、
各面間隔をP1,P2,P3,P4,P5,P1,P
2,P3,P4,P5,P1,P2,P3,P4,P
5,…と繰り返せば周期PはP1+P2+P3+P4+
P5=50μmに増加し、出射光の広がりは約±1.8
°に減少する。また、ピッチの増加に伴い高次の回折効
率が減少するため、広がった部分の光量は小さくなる。
したがってこの程度の広がりであれば実用上ほとんど問
題がない。
When the irradiation area is further widened, that is, the number of reflecting surfaces 18 is increased, the average pitch is 10 μm.
It is extremely difficult in manufacturing to keep all the intervals of the adjacent reflecting surfaces 18 different while keeping the above (required for making the in-plane distribution of the total emitted light amount uniform). In that case, for example, each surface spacing is set to the above value, and P1, P2, P3, P1, P2, P3,
By repeating P1, P2, P3, ..., the cycle P is P1 + P2
+ P3 = 30μm, and the spread of outgoing light is about ± 3 °
Decrease to. Furthermore, P1 = 10 μm, P2 = 13 μm,
P3 = 7 μm, P4 = 11 μm, P5 = 9 μm,
Set each surface spacing to P1, P2, P3, P4, P5, P1, P
2, P3, P4, P5, P1, P2, P3, P4, P
5 and so on, the cycle P becomes P1 + P2 + P3 + P4 +
P5 = 50μm, and the spread of outgoing light is about ± 1.8
Decrease to °. In addition, since the higher order diffraction efficiency decreases as the pitch increases, the amount of light in the expanded portion decreases.
Therefore, if it is spread to this extent, there is practically no problem.

【0044】具体的な例として、導光部材1をフリント
ガラスSF18(nd=1.722)で作製し、屈折率
可変物質5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,メルク社)
とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子12を図
1のように光入射部3を構成する面(入射面)に平行で
紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはSi
O、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10および金属膜7の表面に形成するのが好ま
しい。図1の状態(電圧無印加)でレーザー光(波長6
33nm)をP偏光としてθ=69°で入射させる
と、この光に対しては液晶の屈折率はn =ne・no
/(nocosθ+nesinθ1/2
≒1.546となるので、式(2)を満たし全反射す
る。光入射部3に対して液晶分子がほぼ垂直に配向する
電圧を透明電極10と金属膜7の間に印加した場合(図
2の状態)には、同じ光に対して液晶の屈折率はn
=ne・no/(necosθ+nosin
θ1/2≒1.712となるので、式(2)を満た
さず、入射光は屈折率可変物質(液晶)中を透過して反
射面18に到達する。屈折角θ≒70°となるので、
α=35°に設定すると入射光は反射面18で反射し、
光出射部4からほぼ垂直に出射する。
As a concrete example, the light guide member 1 is flinted.
Made with glass SF18 (nd = 1.722), refractive index
The variable substance 5 is a nematic liquid crystal E7 (ordinary light refractive index no =
1.522, extraordinary light refractive index ne = 1.746, Merck)
And the liquid crystal molecules 12 are preliminarily illustrated by using an alignment film (not shown).
1 is parallel to the surface (incident surface) that constitutes the light incident part 3
Orient it in the direction perpendicular to the paper surface. Si as the alignment film
Known materials such as O and polyimide can be used, and at least
It is preferably formed on the surfaces of the transparent electrode 10 and the metal film 7.
Good In the state of FIG. 1 (no voltage applied), laser light (wavelength 6
33 nm) as P-polarized light and θ1Incident at = 69 °
And the refractive index of the liquid crystal is n for this light. Two= Ne ・ no
/ (NoTwocosTwoθ1+ NeTwosinTwoθ1)1/2
Since ≈1.546, the formula (2) is satisfied and total reflection is performed.
It Liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicular to the light incident portion 3.
When a voltage is applied between the transparent electrode 10 and the metal film 7 (Fig.
2 state), the refractive index of the liquid crystal is n for the same light.Two
= Ne ・ no / (neTwocosTwoθ1+ NoTwosinTwo
θ1)1/2Since ≈1.712, the formula (2) is satisfied.
Instead, the incident light passes through the refractive index variable substance (liquid crystal) and is reflected.
Reach the shooting surface 18. Refraction angle θTwo≒ 70 °, so
When α = 35 °, the incident light is reflected by the reflecting surface 18,
The light is emitted from the light emitting portion 4 almost vertically.

【0045】(実施の形態2)図3及び図4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
態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるが、導
光部材1と屈折率可変物質5との界面で全反射しないよ
うに導光部材1および屈折率可変物質5の材料、形状を
変えている。図3は屈折率可変物質5の屈折率nが導
光部材1の屈折率nより大きい場合で屈折角θは式
(1)に従って入射角θより小さくなる。反射面18
の傾斜角αをα≒θ/2(>θ/2)に設定し、光
入射部3を構成する面と光出射部4を構成する面とが平
行であるようにすると、反射面18で反射した光は光出
射部4に対してφ≒θ−θの角度で入射するの
で、導光部材1に接触している外部物質が空気(n
1)の場合には出射角φ=sin−1(nsinφ
)で出射する。図4はnがnと概略同程度の場合
でθはθにほぼ等しいため、入射光は反射面18で
反射し、光出射部4からほぼ垂直に出射する。光検出器
13を光出射部4に対向させて充分な距離を置いて設置
すれば、図3の時にはほとんど検出されない(オフ状
態)が、図4の時には検出される(オン状態)。
(Embodiment 2) FIGS. 3 and 4 are diagrams for explaining a second embodiment of the present invention. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but the light guide member 1 and the refractive index variable substance 5 are prevented from being totally reflected at the interface between the light guide member 1 and the refractive index variable substance 5. The materials and shapes are changing. In FIG. 3, the refractive index n 2 of the refractive index variable material 5 is larger than the refractive index n 1 of the light guide member 1, and the refraction angle θ 2 becomes smaller than the incident angle θ 1 according to the equation (1). Reflective surface 18
When the inclination angle alpha is set to α ≒ θ 1/2 (> θ 2/2), the surface constituting the surface and the light emitting portion 4 constituting the light incident portion 3 to be parallel, reflective surface since light reflected by the 18 incident at an angle of φ 1 ≒ θ 12 with respect to the light emitting section 4, an external material in contact with the light guide member 1 is air (n a =
In the case of 1), the output angle φ 2 = sin −1 (n 1 sin φ)
Emit at 1 ). In FIG. 4, when n 2 is approximately the same as n 1 , θ 2 is substantially equal to θ 1 , so that the incident light is reflected by the reflecting surface 18 and is emitted from the light emitting portion 4 substantially vertically. If the photodetector 13 is installed facing the light emitting unit 4 with a sufficient distance, it is hardly detected in the case of FIG. 3 (OFF state), but is detected in the case of FIG. 4 (ON state).

【0046】この場合も第1の実施形態と同様に隣接反
射面の間隔を異ならせることによって、回折による出射
光の広がりを低減できるが、第1の実施形態と異なりオ
ン状態(図4の時)のみでなく、オフ状態(図3の時)
も回折の影響を受けるためその出射光の広がりも低減さ
れる。これにより漏れ光(オフ時に検出される光量)が
少なくなるので、S/N比の向上にも寄与する。
Also in this case, the spread of the outgoing light due to diffraction can be reduced by making the interval between the adjacent reflecting surfaces different as in the first embodiment, but unlike the first embodiment, it is in the ON state (at the time of FIG. 4). ), As well as the off state (at the time of FIG. 3)
Is also affected by diffraction, so that the spread of the emitted light is also reduced. As a result, the amount of leaked light (the amount of light detected when turned off) is reduced, which also contributes to the improvement of the S / N ratio.

【0047】具体的な例として、導光部材1をクラウン
ガラスBK7(nd=1.517)で作製し、屈折率可
変物質5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12を図3のように
光入射部3を構成する面(入射面)に平行で紙面に垂直
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1
0および金属膜7の表面に形成するのが好ましい。図3
の状態(電圧無印加)でレーザー光(波長633nm)
をS偏光としてθ=60°で入射させると、この光に
対しては液晶の屈折率はn≒1.746となるので、
式(1)に従ってθ≒49°となる。反射面18で反
射した光は再び光入射部3を横切る時にも屈折するた
め、φ≒13°となり、光出射部4からφ≒20°
で出射する。光入射部3に対して液晶分子がほぼ垂直に
配向する電圧を透明電極10と金属膜7の間に印加した
場合(図4の状態)には、同じ光に対して液晶の屈折率
はn’≒1.522となるので、θ≒60°とな
る。α=30°に設定すると入射光は反射面18で反射
し、光出射部4からほぼ垂直に出射する。
As a concrete example, the light guide member 1 is made of crown glass BK7 (nd = 1.517), and the refractive index variable substance 5 is made of the nematic liquid crystal E7 (ordinary light refractive index no =
1.522, the extraordinary light refractive index ne = 1.746), and the liquid crystal molecules 12 are parallel to the surface (incident surface) constituting the light incident part 3 as shown in FIG. Orient in the vertical direction. Known materials such as SiO and polyimide can be used for the alignment film, and at least the transparent electrode 1
0 and the surface of the metal film 7 are preferably formed. Figure 3
Light (wavelength 633 nm) in the state of (no voltage applied)
Is incident as S-polarized light at θ 1 = 60 °, the refractive index of the liquid crystal is n 2 ≈1.746 for this light.
According to the equation (1), θ 2 ≈49 °. The light reflected by the reflecting surface 18 is refracted even when it crosses the light incident portion 3 again, so that φ 1 ≈13 ° and φ 2 ≈20 ° from the light emitting portion 4.
Emit at. When a voltage is applied between the transparent electrode 10 and the metal film 7 so that the liquid crystal molecules are aligned substantially perpendicular to the light incident portion 3 (state of FIG. 4), the refractive index of the liquid crystal is n for the same light. since the 2 '≒ 1.522, the θ 2 ≒ 60 °. When α is set to 30 °, the incident light is reflected by the reflecting surface 18 and is emitted from the light emitting portion 4 almost vertically.

【0048】(実施の形態3)図5及び図6は、本発明
の第3の実施形態を説明するための図である。本実施形
態の基本的な構成は第2の実施形態と同様であるが、光
出射部4において導光部材1とそれに接触する外部物質
との界面で全反射する状態(図5)と、全反射しない状
態(図6)とを取ることができるように導光部材1の形
状を変えている。また、図6の時に光出射部4から出射
した光を再び入射させ、第二の光出射部21から出射さ
せるための第二の導光部材20が設けられている。第二
の導光部材20の屈折率は導光部材1と概ね等しいもの
が選択される。この例では光出射部4と第二の導光部材
20(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2)を持たせている。
(Third Embodiment) FIGS. 5 and 6 are views for explaining a third embodiment of the present invention. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the second embodiment, except that in the light emitting portion 4, total reflection is performed at the interface between the light guide member 1 and an external substance in contact with the light guide member 1 (FIG. 5). The shape of the light guide member 1 is changed so that the light guide member 1 can be in a non-reflecting state (FIG. 6). Further, a second light guide member 20 for allowing the light emitted from the light emitting portion 4 at the time of FIG. 6 to enter again and emitting the light from the second light emitting portion 21 is provided. The refractive index of the second light guide member 20 is selected to be substantially the same as that of the light guide member 1. In this example, the light emitting portion 4 and the second light guide member 20 (both finished with a smoothness about the wavelength of the incident light) are brought into close contact with each other to form a gap (air layer 2) of about the wavelength of the incident light. Have.

【0049】図5は屈折率可変物質5の屈折率nが導
光部材1の屈折率nより大きい場合で屈折角θは式
(1)に従って入射角θより小さくなる。反射面18
の傾斜角αをα≒θ/2(>θ/2)に設定し、光
入射部3を構成する面と光出射部4を構成する面とのな
す角度をβとすると、反射面18で反射した光は光出射
部4に対してφ≒β+θ−θの角度で入射するの
で、導光部材1に接触している外部物質が空気(n
1)の場合にはnsinφ>1、すなわちθ<β
+θ−sin−1(1/n)を満たせば全反射して
光吸収膜14で吸収される。図6はnがnと概略同
程度の場合でθはθにほぼ等しいため、反射光は光
出射部に対して概略φ’=βの角度で入射し、出射角
φ=sin−1(nsinβ)で出射するが、直ぐ
に第二の導光部材20に入射する。第二の光出射部21
を構成する面と光入射部3を構成する面とが平行である
ようにすると、光は第二の光出射部21からほぼ垂直に
出射する。図6の出射光が検出面に垂直に入射するよう
に光検出器13を設置すると、図6の場合には検出され
る(オン状態)が、図5の場合にはほとんど検出されな
い(オフ状態)。
FIG. 5 shows the case where the refractive index n 2 of the refractive index variable material 5 is larger than the refractive index n 1 of the light guide member 1, and the refraction angle θ 2 becomes smaller than the incident angle θ 1 according to the equation (1). Reflective surface 18
When the inclination angle alpha is set to α ≒ θ 1/2 (> θ 2/2), the angle formed between the surface constituting the surface and the light emitting portion 4 constituting the light incident portion 3 and beta, reflective surface since light reflected by the 18 incident at an angle of φ 1 ≒ β + θ 1 -θ 2 with respect to the light emitting section 4, an external material in contact with the light guide member 1 is air (n a =
In the case of 1), n 1 sin φ 1 > 1, that is, θ 2
If + θ 1 −sin −1 (1 / n 1 ) is satisfied, the light is totally reflected and absorbed by the light absorption film 14. In FIG. 6, when n 2 is approximately the same as n 1 , θ 2 is approximately equal to θ 1 , so the reflected light enters the light emitting portion at an angle of approximately φ 1 ′ = β, and the emission angle φ 2 = Sin −1 (n 1 sin β), but immediately enters the second light guide member 20. Second light emitting portion 21
If the surface forming the light incident portion 3 and the surface forming the light incident portion 3 are parallel to each other, the light is emitted from the second light emitting portion 21 substantially vertically. When the photodetector 13 is installed so that the emitted light in FIG. 6 is incident vertically on the detection surface, it is detected in the case of FIG. 6 (on state), but is hardly detected in the case of FIG. 5 (off state). ).

【0050】具体的な例として、導光部材1および第二
の導光部材20をクラウンガラスBK7(nd=1.5
17)で作製し、屈折率可変物質5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12を図5のように光入射部3を構成する面(入
射面)に平行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10および金属膜7の表面に形
成するのが好ましい。θ=60°、α=30°、β=
35°に設定し、図5の状態(電圧無印加)でレーザー
光(波長633nm)をS偏光として入射させると、こ
の光に対しては液晶の屈折率はn≒1.746となる
ので、式(1)に従ってθ≒49°となる。反射面1
8で反射した光は再び光入射部を横切る時にも屈折する
ため、φ≒β+13°=48°となり、nsinφ
>1を満たすので、光出射部4で全反射して光吸収膜
14で吸収される。光入射部3に対して液晶分子がほぼ
垂直に配向する電圧を透明電極10と金属膜7の間に印
加した場合(図6の状態)には、同じ光に対して液晶の
屈折率はn’≒1.522となるので、θ≒60°
となる。反射光は直進して、第二の光出射部21からほ
ぼ垂直に出射する。
As a concrete example, the light guide member 1 and the second light guide member 20 are made of crown glass BK7 (nd = 1.5).
17), and the refractive index variable material 5 is a nematic liquid crystal E7 (ordinary light refractive index no = 1.522, extraordinary light refractive index ne.
= 1.746), the liquid crystal molecules 12 are aligned in advance in a direction parallel to the surface (incident surface) forming the light incident portion 3 and perpendicular to the paper surface by using an alignment film (not shown). A known material such as SiO or polyimide can be used as the alignment film, and it is preferably formed on at least the surfaces of the transparent electrode 10 and the metal film 7. θ 1 = 60 °, α = 30 °, β =
When the laser beam (wavelength 633 nm) is incident as S-polarized light in the state of FIG. 5 (no voltage applied) with the angle set to 35 °, the refractive index of the liquid crystal becomes n 2 ≈1.746 for this light. , Θ 2 ≈49 ° according to the equation (1). Reflective surface 1
The light reflected at 8 is refracted even when it crosses the light incident portion again, so that φ 1 ≈β + 13 ° = 48 °, and n 1 sin φ
Since 1 > 1 is satisfied, it is totally reflected by the light emitting portion 4 and absorbed by the light absorbing film 14. When a voltage is applied between the transparent electrode 10 and the metal film 7 to align the liquid crystal molecules substantially perpendicularly to the light incident part 3 (state of FIG. 6), the refractive index of the liquid crystal is n for the same light. since the 2 '≒ 1.522, θ 2 ≒ 60 °
Becomes The reflected light travels straight and is emitted from the second light emitting portion 21 substantially vertically.

【0051】(実施の形態4)図7及び図8は、本発明
の第4の実施形態を説明するための図で、第1の実施形
態と同様にオフ状態を図7に、オン状態を図8に示すも
のである。図中、17は導光部材1と屈折率が概略等し
い平板導光体で、光入射部3と光学的接合がなされてい
る。その他の構成は第1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1および、平板導光体17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5
と接するのは平板導光体17であるので、透明電極10
は平板導光体17上に形成される。この場合導光部材1
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。
(Fourth Embodiment) FIGS. 7 and 8 are views for explaining a fourth embodiment of the present invention. As in the first embodiment, the OFF state is shown in FIG. 7 and the ON state is shown. This is shown in FIG. In the figure, reference numeral 17 denotes a flat plate light guide whose refractive index is substantially the same as that of the light guide member 1, and is optically joined to the light incident portion 3. Other configurations are the same as those in the first embodiment, and the operation principle is also the same. Optical joining is a state in which the two members are in close contact with each other so that the gap between them is sufficiently smaller than the wavelength of light used, and specifically, a fluid object is interposed between them. Can be obtained by A fluid object may be solidified after ensuring close contact with both members. More specifically, as the fluid object, it is preferable to use a low-volatile liquid or a photocurable adhesive whose refractive index is substantially the same as that of the light guide member 1 and the flat plate light guide 17. In this embodiment, the refractive index variable substance 5
Since the flat plate light guide 17 is in contact with the transparent electrode 10
Is formed on the flat plate light guide 17. In this case, the light guide member 1
Since it is only necessary to perform the joining at the end, the main part of the device can be manufactured without using a light guide member having a complicated shape, so that the yield can be improved and the cost can be reduced.

【0052】(実施の形態5)図9及び図10は、本発
明の第5の実施形態を説明するための図で、第4の実施
形態と同様に、オフ状態を図9に、オン状態を図10に
示すものである。本実施形態は、屈折率可変物質5とし
て、高分子分散液晶を用いる以外は第4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2
3中に液晶ドロップレット22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。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。
(Fifth Embodiment) FIGS. 9 and 10 are views for explaining a fifth embodiment of the present invention. As in the fourth embodiment, the OFF state is shown in FIG. 9 and the ON state is shown. Is shown in FIG. The present embodiment has the same configuration as that of the fourth embodiment except that a polymer dispersed liquid crystal is used as the refractive index variable substance 5. Polymer dispersed liquid crystal is polymer matrix 2
3 has liquid crystal droplets 22 dispersed therein. Liquid crystal materials include nematic liquid crystal, smectic liquid crystal,
A cholesteric liquid crystal or the like can be used, and a single or a mixture of two or more kinds of liquid crystal compounds or a mixture containing a substance other than the liquid crystal compounds may be used. The polymer matrix material is preferably a transparent polymer, and may be a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or a photocurable resin. Polymer-dispersed liquid crystals may be produced by (1) a polymerization phase separation method in which a liquid crystal and a thermo- or photo-curable (polymerizable) monomer, oligomer, or prepolymer are used to form a solution, and phase separation is performed by polymerization. A solvent evaporation phase separation method in which a solution is made of a solvent and a solvent, and the solvent is evaporated to cause phase separation, (3) After heating and dissolving the liquid crystal and the thermoplastic polymer,
A thermal phase separation method in which phase separation is performed by cooling can be used.

【0053】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。また重合を速やか
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。
As the polymer, it is preferable to use an ultraviolet curable resin from the viewpoints of ease of manufacturing process, separability 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 an acrylic oligomer which is polymerized and cured by ultraviolet irradiation is particularly preferable. Examples of such monomers or oligomers 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 preferably used because it has a high photocuring speed. In addition, a photopolymerization initiator may be used for rapid polymerization, and examples thereof include acetophenones such as dichloroacetophenone and trichloroacetophenone, 1-hydroxycyclohexylphenyl ketone, benzophenone, Michler's ketone, benzoyl, benzoin alkyl ether, and benzyldimethyl. Ketal, monosulfide, thioxanthones,
Examples thereof include azo compounds, diallyl iodonium salts, triallyl sulfonium salts, and bis (trichloromethyl) triazine compounds.

【0054】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部材15と導光部材1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。液晶ドロップレットサイ
ズと応答速度の関係について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。図11は液晶ドロップレットサイズと応答速度
との関係を示したものである。液晶材料はE7およびB
L24(no=1.513,ne=1.717,メルク
社)、プレポリマーは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12に
示す装置を用いて、試料37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。なお、試
料37は高分子分散液晶層40の厚さを20μm、光路
長を1mmとした。
After the liquid material in which the liquid crystal material is uniformly dissolved in this ultraviolet curable compound is injected between the reflecting member 15 and the light guide member 1, the ultraviolet curable compound is cured by irradiating with ultraviolet light. Phase separation of liquid crystal material,
A polymer dispersed liquid crystal layer is formed. The results of detailed investigation of the relationship between liquid crystal droplet size and response speed are shown below. The size of the liquid crystal droplets in the polymer-dispersed liquid crystal can be changed by changing the composition of the prepolymer, the mixed concentration of the liquid crystal, the ultraviolet intensity during curing, and the like. FIG. 11 shows the relationship between the liquid crystal droplet size and the response speed. Liquid crystal materials are E7 and B
L24 (no = 1.513, ne = 1.717, Merck & Co., Inc.), and NOA60, 65 and 81 (Norland Co., Ltd.) were appropriately used as prepolymers. To measure the response speed, a pulse voltage (200 V) was applied to the sample 37 using the device shown in FIG.
The total of the rise time (Ton) and the fall time (Toff) of the optical output when the voltage was applied was measured. In Sample 37, the polymer dispersed liquid crystal layer 40 had a thickness of 20 μm and an optical path length of 1 mm.

【0055】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図13に模式的に示す。
電界が印加されていない時には液晶ドロップレットの向
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、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12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1
1の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図
11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。
FIG. 13 schematically shows the states when an electric field is not applied to the polymer dispersed liquid crystal and when it is applied.
Since the liquid crystal droplets are randomly oriented when no electric field is applied, 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, the molecular axes of the liquid crystal molecules are aligned with this direction, so that the refractive index in the z axis direction increases and the refractive indices in the x axis direction and the y axis direction remain equal to each other, but the magnitude decreases. Become. As shown in FIG. 12, when light is incident from the x direction perpendicular to the electric field direction, birefringence occurs on 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, but the behavior of liquid crystal molecules when an electric field is applied and the accompanying change in the refractive index are used.
The response speed of 1 can be similarly applied to the present invention. It can be seen from FIG. 11 that the response speed increases as the liquid crystal droplet size decreases.

【0056】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=24π((m−1)/(m+2)) /λ …(4)
Furthermore, enter the particle size of the liquid crystal droplets.
1/5 or less of the wavelength of emitted light, more preferably 1/10 or less
Is preferable from the viewpoint of light transmittance. Ray below
The result of calculating the light transmittance from the Lie scattering theory is shown. volume
If the spherical scatterer of V exists at a number density N, the medium of thickness L
The light transmittance T of the body is expressed by the following equation (4).   T = exp (-NRL), R = 24πThree((MTwo-1) / (mTwo+2))TwoV Two / ΛFour  … (4)

【0057】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=1.07、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)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14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、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14よ
り、光路切替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および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。
Here, R is the scattering cross section, m is the ratio of the refractive index of the scatterer to the medium, and λ is the wavelength of the light used. Transmittance T when m = 1.07 and L = 100 μm
Was calculated using the particle size d of the scatterer, that is, the liquid crystal droplets, the volume fraction (= NV), and the wavelength λ as parameters. As can be seen from the equation, T decreases as d increases (that is, V increases) and λ decreases. Further, the transmittance is preferably 90% (T = 0.9) or more from the viewpoint of light utilization efficiency. Figure 14 is T
= 0.9, the volume fraction is 10% (d (0.
1)), 30% (d (0.3)) and 50% (d (0.3)).
5)) is plotted with respect to wavelength. When the volume fraction is small, the amount of change in refractive index is small and S /
Since the N ratio cannot be obtained, the volume fraction is preferably 10% or more, more preferably about 50%. If the volume fraction is higher than this, production becomes extremely difficult. From this point of view, from FIG. 14, it is preferable that d is λ / 5 or less for wavelengths in the visible to infrared region applied as an optical path switching element, and
It is more preferably / 10 or less. Although m and L were fixed in this calculation, it is considered that the values are less than this in an actual device, so there is no problem within the above grain size range.

【0058】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/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、導光部
材1およびをフリントガラスSF2(nd=1.64
8)とし、レーザー光(波長633nm)をP偏光とし
て入射角θ=75°で入射させる。図9の時(電界無
印加時)には液晶分子の配向したドロップレット22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(液晶の体積分率を約35%と見
積もった)。なお、この場合予め配向処理を行っていな
い。この時式(2)を満たすため全反射する。図10の
時には液晶分子が電界方向に配列し、上記偏光に対する
高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率(ne・no
/(necosθ1+nosinθ11/2
1.70)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。この
時式(1)に従って屈折角はθ≒78°となり、α=
39°に設定しておけば反射光は出射部4からほぼ垂直
に出射し、光検出器13で検出される。図9の状態と図
10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桁以上高
速になっている。
As a concrete example of the polymer-dispersed liquid crystal, a nematic liquid crystal BL24 (no = 1.513, ne = 1.7) is used.
17, Merck) UV curable prepolymer NOA8
Dissolve in 1 (Norland) (liquid crystal weight concentration 45%),
The light guide member 1 and the flint glass SF2 (nd = 1.64) were irradiated with ultraviolet rays (400 mW / cm2) (the average particle size of the liquid crystal droplets was about 60 nm).
8), laser light (wavelength 633 nm) is incident as P-polarized light at an incident angle θ 1 = 75 °. In FIG. 9 (when no electric field is applied), the orientation of the droplets 22 in which the liquid crystal molecules are oriented is random, so that the entire layer is an optically isotropic medium and its refractive index is almost equal to that of the liquid crystal. Volume average (≈1.57) of average refractive index (≈ (2no + ne) /3≈1.58) and refractive index of polymer matrix (≈1.56)
(The liquid crystal volume fraction was estimated to be about 35%). In this case, the alignment treatment is not performed in advance. At this time, since the expression (2) is satisfied, total reflection occurs. In FIG. 10, liquid crystal molecules are aligned in the direction of the electric field, and the refractive index of the polymer dispersed liquid crystal layer with respect to the polarized light is the refractive index of the liquid crystal (ne · no).
/ (Ne 2 cos 2 θ 1 + no 2 sin 2 θ 1 ) 1/2 =
1.70) and the refractive index of the polymer matrix (≈1.56) can be regarded as the volume average (≈1.61). At this time, according to the formula (1), the refraction angle becomes θ 2 ≈78 °, and α =
If it is set to 39 °, the reflected light is emitted from the emitting portion 4 almost vertically, and is detected by the photodetector 13. The switching time between the state of FIG. 9 and the state of FIG. 10 is on the order of several tens of μs, and this value is faster than the bulk liquid crystal by two digits or more.

【0059】(実施の形態6)図15及び図16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
施形態は、電圧無印加時(図15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5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16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3に対して水平で紙面
に垂直な方向にするのがよい。具体的には第5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、同じ入射光(P偏光、θ=75°)に対して、図
15の時に高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率
(ne・no/(nocosθ+nesin
θ1/2=1.52)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。この時式(2)を満たすため全反射するが、
臨界角が約70°で第5の実施形態の場合(約72°)
よりも小さくなる。言いかえると入射角のマージンが広
くなるため、より広い角度分布を持った光が利用でき、
光利用効率の向上に繋がる。図16の時には液晶分子が
電界方向に配列し、同じ光に対する高分子分散液晶層の
屈折率は液晶の屈折率(ne・no/(necos
θ+nosinθ1/2=1.70)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。この時式(1)に従
って屈折角はθ≒78°となり、α=39°に設定し
ておけば反射光は出射部4からほぼ垂直に出射し、光検
出器13で検出される。
(Sixth Embodiment) FIGS. 15 and 16 are views for explaining a sixth embodiment of the present invention. This embodiment has the same configuration as that of the fifth embodiment except that all liquid crystal molecules in the droplets are aligned in substantially one direction when no voltage is applied (at the time of FIG. 15). It is preferable that this arrangement direction is substantially orthogonal to the direction (electric field direction) in which liquid crystal molecules are aligned when a voltage is applied (in FIG. 16), and is horizontal to the light incident portion 3 and perpendicular to the paper surface. Specifically, when the polymer dispersed liquid crystal of the same material and formulation as in the fifth embodiment is used, the polymer dispersed liquid crystal at the time of FIG. 15 is applied to the same incident light (P polarized light, θ 1 = 75 °). The refractive index of the layer is the refractive index of the liquid crystal (ne · no / (no 2 cos 2 θ 1 + ne 2 sin 2
It can be regarded as a volume average (≈1.55) of θ 1 ) 1/2 = 1.52) and the refractive index of the polymer matrix (≈1.56). At this time, total reflection is performed to satisfy the formula (2),
In the case of the fifth embodiment where the critical angle is about 70 ° (about 72 °)
Will be smaller than. In other words, because the margin of the incident angle is wide, light with a wider angle distribution can be used,
It leads to improvement of light utilization efficiency. In FIG. 16, liquid crystal molecules are aligned in the direction of the electric field, and the refractive index of the polymer dispersed liquid crystal layer for the same light is (ne.no/(ne 2 cos 2
θ 1 + no 2 sin 2 θ 1 ) 1/2 = 1.70) and the refractive index of the polymer matrix (≒ 1.56), the volume average (≒ 1.56)
1.61). At this time, the refraction angle becomes θ 2 ≈78 ° according to the equation (1), and if α = 39 ° is set, the reflected light is emitted from the emitting portion 4 almost vertically and detected by the photodetector 13.

【0060】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。
また、電界の代わりに磁界を用いる方法も好適に使用で
きる。
As a method of preliminarily aligning liquid crystal molecules in one direction, it is possible to use the following method other than the method using the alignment film as described above. The liquid crystal can be oriented in one direction by applying an electric field when polymerizing the polymer matrix material. 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 alignment 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 electric field direction applied during the polymerization.
Also, a method of using a magnetic field instead of an electric field can be preferably used.

【0061】(実施の形態7)本発明の第7の実施形態
を図1,図2及び図17に基づき説明する。本実施形態
は、基本的な素子構造は第1の実施形態と同様である
が、屈折率可変物質5として二周波駆動液晶を用いてい
る。図17に二周波駆動液晶の誘電異方性の周波数特性
を示す。印加電圧の周波数が高くなり、クロスオーバー
周波数fcを越えると誘電異方性が負となる。クロスオ
ーバー周波数以下の周波数fの電圧を印加した場合に
は液晶分子が電界方向に配向する(図2)。クロスオー
バー周波数以上の周波数fの電圧を印加すると、液晶
の長軸は電界にほぼ垂直な方向すなわち光入射部3にほ
ぼ平行な方向に配向するが、予め配向処理を行うことで
面内での向きを紙面垂直方向に揃えることができる(図
1)。
(Embodiment 7) A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 17. In this embodiment, the basic element structure is the same as that of the first embodiment, but a dual frequency driving liquid crystal is used as the refractive index variable substance 5. FIG. 17 shows the frequency characteristic of the dielectric anisotropy of the dual frequency drive liquid crystal. When the frequency of the applied voltage increases and exceeds the crossover frequency fc, the dielectric anisotropy becomes negative. When a voltage having a frequency f 1 equal to or lower than the crossover frequency is applied, the liquid crystal molecules are aligned in the electric field direction (FIG. 2). When a voltage with a frequency f 2 higher than the crossover frequency is applied, the long axis of the liquid crystal is aligned in a direction substantially perpendicular to the electric field, that is, in a direction substantially parallel to the light incident portion 3. Can be aligned in the direction perpendicular to the paper surface (Fig. 1).

【0062】二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向
させる場合でも、短軸を電界方向に配向させる場合で
も、液晶分子にローレンツ力が作用するため、ネマティ
ック液晶など通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に
行われる。例えば、図2の状態から図1の状態に切り替
える際に、通常のネマティック液晶では電圧を0Vにし
た時の配向規制力による戻りを利用するため、応答に数
ms〜数10msを要するが、二周波駆動液晶を用いて
高周波電界で強制的に配向変化を起こさせる場合には1
ms以下での応答が可能となる。
In the dual-frequency driving liquid crystal, the Lorentz force acts on the liquid crystal molecules regardless of whether the long axis is oriented in the electric field direction or the short axis is oriented in the electric field direction. Therefore, compared with a normal liquid crystal material such as a nematic liquid crystal. The orientation movement is performed at high speed. For example, when switching from the state of FIG. 2 to the state of FIG. 1, in a normal nematic liquid crystal, the return due to the alignment regulating force when the voltage is set to 0 V is used, so that it takes several ms to several tens of ms for the response. 1 when using a frequency drive liquid crystal to force an orientation change in a high frequency electric field
Responses in ms or less are possible.

【0063】二周波駆動液晶としては、例えば、2,3
−ジシアノ−4−ペンチルオキシフェニル−4−(トラ
ンス−4−エチルシクロヘキシル)ベンゾアート、2,
3−ジシアノ−4ペンチルオキシフェニル−トランス−
4−プロピル−1−シクロヘキサンカルボキシラート、
2,3−ジシアノ−4−エトキシフェニル−4−(トラ
ンス−4−ペンチルシクロヘキシル)ベンゾアート、
2,3−ジシアノ−4−エトキシフェニル−4−(トラ
ンス−4−ブチルシクロヘキシル)ベンゾアート、2,
3−ジシアノ−4−ブトキシフェニル−4−(トランス
−4−ブチルシクロヘキシル)ベンゾアートなどを用い
ることができる。
The two-frequency driving liquid crystal is, for example, 2, 3
-Dicyano-4-pentyloxyphenyl-4- (trans-4-ethylcyclohexyl) benzoate, 2,
3-dicyano-4pentyloxyphenyl-trans-
4-propyl-1-cyclohexanecarboxylate,
2,3-dicyano-4-ethoxyphenyl-4- (trans-4-pentylcyclohexyl) benzoate,
2,3-dicyano-4-ethoxyphenyl-4- (trans-4-butylcyclohexyl) benzoate, 2,
3-dicyano-4-butoxyphenyl-4- (trans-4-butylcyclohexyl) benzoate and the like can be used.

【0064】具体的な例として、導光部材1をフリント
ガラスSF8(nd=1.689)で作製し、屈折率可
変物質5を二周波駆動液晶MX001543(no=
1.4978,ne=1.7192,クロスオーバー周波
数fc≒20kHz,メルク社)とし、予め図示しない
配向膜を用いて液晶分子12を図1のように光入射部3
に対してほぼ平行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10および金属膜7の表面
に形成するのが好ましい。透明電極10と金属膜7の間
にクロスオーバー周波数以上の周波数f=100kH
zの電圧を印加した状態(図1)で、レーザー光(波長
633nm)をP偏光として入射角θ=70°で入射
させると、この光に対しては液晶の屈折率はn=ne
・no/(nocosθ+nesinθ
1/2≒1.519となるので、式(2)を満たし全反
射する。クロスオーバー周波数以下の周波数f=1k
Hzの電圧を印加した場合(図2)には、同じ光に対し
て液晶の屈折率はn’=ne・no/(necos
θ+nosinθ1/2≒1.688とな
るので、式(1)に従って屈折角はθ≒70°とな
り、α=35°に設定しておけば反射光は光出射部4か
らほぼ垂直に出射し、光検出器13で検出される。
As a specific example, the light guide member 1 is made of flint glass SF8 (nd = 1.689), and the refractive index variable substance 5 is used as the dual frequency drive liquid crystal MX001543 (no =
1.4978, ne = 1.7192, crossover frequency fc≈20 kHz, Merck & Co., Inc.) and liquid crystal molecules 12 are preliminarily used as shown in FIG.
It is oriented substantially parallel to and perpendicular to the paper surface.
A known material such as SiO or polyimide can be used as the alignment film, and it is preferably formed on at least the surfaces of the transparent electrode 10 and the metal film 7. Frequency f 2 = 100 kHz above the crossover frequency between the transparent electrode 10 and the metal film 7.
When a laser beam (wavelength 633 nm) is made incident as P-polarized light at an incident angle θ 1 = 70 ° under the condition that a voltage of z is applied (FIG. 1), the refractive index of the liquid crystal is n 2 = ne for this light.
・ No / (no 2 cos 2 θ 1 + ne 2 sin 2 θ 1 )
Since 1/2 ≈ 1.519, the formula (2) is satisfied and total reflection is performed. Frequency f 1 = 1k below crossover frequency
When a voltage of Hz is applied (FIG. 2), the refractive index of the liquid crystal is n 2 ′ = ne · no / (ne 2 cos) for the same light.
Since 2 θ 1 + no 2 sin 2 θ 1 ) 1/2 ≈1.688, the refraction angle becomes θ 2 ≈70 ° according to the equation (1), and if α = 35 ° is set, the reflected light is light. The light is emitted from the emission unit 4 substantially vertically and detected by the photodetector 13.

【0065】実施の形態8 図18は、本発明の第8の実施形態を説明するための図
で、二次元空間光変調器50の斜視図である。本実施形
態の基本的な構成は上記第1、第4乃至第7の実施形態
と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜7が二次元ア
レイ状に配置されている。図18では明らかでないが、
紙面の左右方向に配列した隣接反射面の間隔は配列方向
に一定でないようにしている。基板9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(図示せず)が設けられている。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7)からの反射光のみ
が光出射部4から出射し、面状の光のON/OFF(空
間光変調)ができる。LEDアレイ,ランプ等の光源か
ら光をコリメートレンズ(あるいは光インテグレー
タ)、偏光変換光学系を介してP偏光として、導光部材
1から屈折率可変物質5へ入射させ、光出射部4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。
Eighth Embodiment FIG. 18 is a diagram for explaining the eighth embodiment of the present invention and is a perspective view of a two-dimensional spatial light modulator 50. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first, fourth to seventh embodiments, but the metal film 7 also serving as an individual electrode is arranged in a two-dimensional array. Although not clear in FIG. 18,
The distance between adjacent reflection surfaces arranged in the left-right direction on the paper surface is not constant in the arrangement direction. The substrate 9 is provided with drive elements (not shown) connected to the individual electrodes and selectively supplying signals to them. By selectively applying a voltage signal to each individual electrode arranged in an array, only the reflected light from the selected individual electrode (metal film 7) is emitted from the light emitting portion 4, and the planar light is turned on. / OFF (spatial light modulation) is possible. Light from a light source such as an LED array or a lamp is made to be P-polarized light through a collimating lens (or an optical integrator) and a polarization conversion optical system, and is made incident on the refractive index variable substance 5 from the light guide member 1 and outside the light emitting portion 4. An image display device can be formed by installing a projection lens and projecting on a screen.

【0066】上記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 the image display device using the two-dimensional array type spatial light modulator, incident light of a plurality of wavelengths such as red, green and blue is used to display images of respective colors in a time division manner (field sequential system). ), A full-color image can be displayed by providing a plurality of spatial light modulators and projecting images of respective colors at the same time.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光路切替素子によれば、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、反
射部で反射した光を、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、反射部を含む光路中に屈
折率可変物質が封入され、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
具備する光路切替素子において、反射部が複数の反射面
を有しており、入射光軸の投影軸方向に配列する隣接反
射面の間隔が配列方向に対して一定でないようにするこ
とにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつ光利用効率
の高い光路切替素子を提供することができる。また、屈
折率可変物質の屈折率変化を、入射光が導光部材と屈折
率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うよ
うにすることにより、上記に加え、S/N比の高い光路
切替素子を提供することができる。
As is apparent from the above description, according to the optical path switching element of the present invention, the light incident portion via the light guide member, the reflecting portion for reflecting the incident light entering from the light incident portion, It consists of a light emitting part that emits the light reflected by the reflecting part to the outside as outgoing light through the light guide member, and the refractive index variable substance is enclosed in the optical path including the reflecting part. In the optical path switching element provided with a signal input means for giving a signal to cause a change in the refractive index, the reflecting portion has a plurality of reflecting surfaces, and the distance between adjacent reflecting surfaces arranged in the projection axis direction of the incident optical axis is small. By making it non-uniform in the arrangement direction, it is possible to provide an optical path switching element having a simple structure, high durability, and high light utilization efficiency. In addition to the above, by changing the refractive index of the variable refractive index material within the range in which incident light is transmitted and totally reflected at the interface between the light guide member and the variable refractive index material, the S / N ratio It is possible to provide a high optical path switching element.

【0068】また、屈折率可変物質の屈折率変化を、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
い範囲で行うようにすることにより、低コストで信頼性
の高い光路切替装置を提供することができる。また、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ようにすることによ
り、上記に加え、よりS/N比の高い光路切替素子を提
供することができる。また、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
ので、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。
Further, by changing the refractive index of the variable refractive index material within the range in which the incident light is not totally reflected at the interface between the light guide member and the variable refractive index material, a low-cost and highly reliable optical path can be obtained. A switching device can be provided. Further, the first state in which the light reflected by the reflecting portion is totally reflected at the interface between the light guide member and the external substance in contact with the light emitting portion,
By adopting the second state in which total reflection is not performed, an optical path switching element having a higher S / N ratio can be provided in addition to the above. Further, since the second light emitting portion capable of emitting the emitted light to the outside via the second light guide member is provided, it is possible to provide an optical path switching element having a higher S / N ratio.

【0069】また、導光部材に光学的接合し、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により、
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。また、屈折率可変物質が液晶からなるので、
さらに製造が容易で、光利用効率を高くできる光路切替
素子を提供することができる。さらに、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(高分子分散液晶)からなるようにするこ
とにより、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。また、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することにより、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。
Further, by optically joining the light guide member and providing a flat plate light guide having a refractive index substantially equal to that of the light guide member,
In addition to the above, it is possible to provide an optical path switching element that is easy to manufacture. Also, since the refractive index variable substance is made of liquid crystal,
Further, it is possible to provide an optical path switching element that is easy to manufacture and can improve the light utilization efficiency. In addition, the refractive index variable substance is a liquid crystal in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix.
By using a polymer composite (polymer dispersed liquid crystal), it is possible to provide an optical path switching element having a high response speed in addition to the above. In addition to the above, an optical path switching element with a small optical loss is provided by using a polymer-dispersed liquid crystal as the refractive index variable substance and using the liquid crystal as a droplet having a particle diameter of ⅕ or less of the wavelength of incident light. can do.

【0070】また、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することにより、上記に
加え、より光利用効率を高くできる光路切替素子を提供
することができる。また、液晶として二周波駆動液晶を
用いることにより、さらに応答速度の速い光路切替素子
を提供することができる。
In addition to the above, it is possible to provide an optical path switching element in which the light utilization efficiency can be further increased by making all the liquid crystal molecules aligned in substantially one direction when no voltage is applied. Further, by using a dual frequency driving liquid crystal as the liquid crystal, it is possible to provide an optical path switching element having a faster response speed.

【0071】また、本発明の空間光変調器によれば、上
記のごとくの光路切替素子を二次元アレイ状に配列する
ことにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつ光利用効
率の高い空間光変調器を提供することができる。また本
発明の画像表示装置によれば、上記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すること
により、耐久性が高く、光利用効率の高い画像表示装置
を提供することができる。
Further, according to the spatial light modulator of the present invention, by arranging the optical path switching elements as described above in a two-dimensional array, the space having a simple structure and high durability and high light utilization efficiency is obtained. An optical modulator can be provided. Further, according to the image display device of the present invention, it is possible to provide an image display device having high durability and high light utilization efficiency by projecting an image formed by the above spatial light modulator on a screen. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of 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】 本発明の第1の実施形態を説明するための他
の図である。
FIG. 2 is another diagram for explaining the first embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の第2の実施形態を説明するための図
である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の第2の実施形態を説明するための他
の図である。
FIG. 4 is another diagram for explaining the second embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の第3の実施形態を説明するための図
である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の第3の実施形態を説明するための他
の図である。
FIG. 6 is another diagram for explaining the third embodiment of the present invention.

【図7】 本発明の第4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 fourth 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他
の図である。
FIG. 8 is another diagram for explaining the 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5の実施形態を説明するための
他の図である。
FIG. 10 is another diagram for explaining the fifth embodiment of the present invention.

【図11】 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. 11 is a diagram showing a relationship between liquid crystal droplet size and response speed.

【図12】 液晶ドロップレットの応答速度を測定する
ための装置を示す概略図である。
FIG. 12 is a schematic view showing an apparatus for measuring the response speed of liquid crystal droplets.

【図13】 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した図であ
る。
FIG. 13 is a diagram schematically showing a state where an electric field is not applied to the polymer dispersed liquid crystal and a state where an electric field is applied.

【図14】 T=0.9となる粒径を体積分率が10
%、30%および50%の場合について、波長に対して
プロットした図である。
FIG. 14: Particle size of T = 0.9 and volume fraction of 10
It is the figure plotted with respect to wavelength in the case of%, 30%, and 50%.

【図15】 本発明の第6の実施形態を説明するための
図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining the sixth embodiment of the present invention.

【図16】 本発明の第6の実施形態を説明するための
他の図である。
FIG. 16 is another diagram for explaining the sixth embodiment of the present invention.

【図17】 本発明の第7の実施形態を説明するための
図である
FIG. 17 is a diagram for explaining the seventh embodiment of the present invention.

【図18】 本発明の第8の実施形態を説明するための
他の図である
FIG. 18 is another view for explaining the eighth embodiment of the present invention.

【図19】 従来の空間光変調器の一例の平面図であ
る。
FIG. 19 is a plan view of an example of a conventional spatial light modulator.

【図20】 図19のひとつの回転鏡の断面図を示した
図である。
20 is a view showing a cross-sectional view of one rotating mirror in FIG.

【図21】 特開平11−202222号公報の光スイ
ッチング素子の動作説明図である。
FIG. 21 is an operation explanatory diagram of the optical switching element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-202222.

【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。
FIG. 22 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-171813.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…導光部材、3…光入射部、4…光出射部、5…屈折
率可変物質、6…反射部、7…金属膜、8…絶縁体、9
…基板、10…透明電極、11…シール剤、12…液晶
分子、13…光検出器、14…光吸収膜、15…反射部
材、17…平板導光体、18…反射面、19…逆傾斜
面、20…第二の導光部材、21…第二の光出射部、2
2…液晶ドロップレット、23…高分子マトリクス、3
7…試料、40…高分子分散液晶層、50…二次元空間
光変調器、60…方形トーションビーム反射表面、61
…ビーム支持ポスト、71…ヒンジ、72…接地電極、
73…ポスト、74…ポスト、75…アドレス電極、8
1…金属層、82…基板層、90…導光部、91,92
…光線、94…全反射面、101…抽出面、102…プ
リズム、110…駆動部、121…導光体、122…入
射光(直線偏光)、123…反射光、124…全反射
光、125…反射膜、126…液晶。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light guide member, 3 ... Light incident part, 4 ... Light emitting part, 5 ... Refractive index variable substance, 6 ... Reflecting part, 7 ... Metal film, 8 ... Insulator, 9
... substrate, 10 ... transparent electrode, 11 ... sealing agent, 12 ... liquid crystal molecule, 13 ... photodetector, 14 ... light absorbing film, 15 ... reflecting member, 17 ... flat plate light guide, 18 ... reflecting surface, 19 ... reverse Inclined surface, 20 ... second light guide member, 21 ... second light emitting portion, 2
2 ... Liquid crystal droplets, 23 ... Polymer matrix, 3
7 ... Sample, 40 ... Polymer dispersed liquid crystal layer, 50 ... Two-dimensional spatial light modulator, 60 ... Square torsion beam reflecting surface, 61
... Beam support post, 71 ... Hinge, 72 ... Ground electrode,
73 ... Post, 74 ... Post, 75 ... Address electrode, 8
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal layer, 82 ... Substrate layer, 90 ... Light guide part, 91, 92
... Rays, 94 ... Total reflection surface, 101 ... Extraction surface, 102 ... Prism, 110 ... Driving part, 121 ... Light guide, 122 ... Incident light (linearly polarized light), 123 ... Reflected light, 124 ... Total reflection light, 125 … Reflective film, 126… liquid crystal.

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Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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
出す光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中に屈
折率可変物質が封入され、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
を具備する光路切替素子において、前記反射部は、複数
の反射面が光の入射方向に配列した構成を有しており、
該配列した隣接反射面の間隔が配列方向において一定で
ないことを特徴とする光路切替素子。
1. A light incident part through a light guide member, a reflection part for reflecting incident light entering from the light entrance part, and light reflected by the reflection part for emission light through the light guide member. And a signal output means for generating a refractive index change by giving a signal to the refractive index variable substance in accordance with information and enclosing a refractive index variable substance in an optical path including the reflection part. In the optical path switching element provided, the reflecting portion has a configuration in which a plurality of reflecting surfaces are arranged in a light incident direction,
An optical path switching element characterized in that the intervals between the adjacent reflection surfaces arranged are not constant in the arrangement direction.
【請求項2】 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前記屈折率可
変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うことを
特徴とする請求項1に記載の光路切替素子。
2. The refractive index change of the variable refractive index material according to the signal is performed within a range in which the incident light is transmitted and totally reflected at an interface between the light guide member and the variable refractive index material. The optical path switching element according to claim 1.
【請求項3】 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前記屈折率可
変物質との界面で全反射しない範囲で行うことを特徴と
する請求項1に記載の光路切替素子。
3. The refractive index change of the refractive index variable substance according to the signal is performed within a range in which the incident light is not totally reflected at the interface between the light guide member and the refractive index variable substance. 1. The optical path switching element described in 1.
【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光出射部に
おいて前記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を特徴とする請求項
3に記載の光路切替素子。
4. The change in the refractive index of the variable refractive index material caused by the signal is totally reflected at the interface between the light guide member and the external material in contact with the light guide member at the light emitting portion. The optical path switching element according to claim 3, wherein the optical path switching element is performed within a range in which one state and a second state in which total reflection is not performed can be obtained.
【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3または4のいずれか一項に記載の光路
切替素子。
5. The second light emitting portion capable of outputting the emitted light to the outside via the second light guide member is provided. Optical switching element.
【請求項6】 前記光入射部に光学的に接合し、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のいずれか一項に記載の光路
切替素子。
6. The flat light guide body, which is optically joined to the light incident portion and has a refractive index substantially equal to that of the light guide member, is provided. Optical switching element.
【請求項7】 前記屈折率可変物質が液晶からなること
を特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光
路切替素子。
7. The optical path switching element according to claim 1, wherein the variable refractive index material is liquid crystal.
【請求項8】 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6のいずれか一項に記
載の光路切替素子。
8. The optical path switching device according to claim 1, wherein the variable refractive index material comprises a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix. element.
【請求項9】 液晶が入射光の波長の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
8に記載の光路切替素子。
9. The optical path switching element according to claim 8, wherein the liquid crystal is a droplet having a particle diameter of ⅕ or less of a wavelength of incident light.
【請求項10】 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を特徴とする請求項7乃至9
のいずれか一項に記載の光路切替素子。
10. The liquid crystal molecules are aligned in substantially one direction when no voltage is applied.
The optical path switching element according to any one of 1.
【請求項11】 前記液晶が二周波駆動液晶であること
を特徴とする請求項7乃至10のいずれか一項に記載の
光路切替素子。
11. The optical path switching element according to claim 7, wherein the liquid crystal is a dual frequency driving liquid crystal.
【請求項12】 請求項1乃至11のいずれか一項に記
載の光路切替素子の反射面が二次元アレイ状に配列され
た空間光変調器であって、各反射面に接する屈折率可変
物質への信号印加を反射面ごとに独立に制御することに
よって二次元の光変調を行うことを特徴とする空間光変
調器。
12. A spatial light modulator in which the reflecting surfaces of the optical path switching element according to any one of claims 1 to 11 are arranged in a two-dimensional array, wherein the refractive index variable substance is in contact with each reflecting surface. A spatial light modulator characterized by performing two-dimensional light modulation by independently controlling signal application to each reflection surface.
【請求項13】 請求項12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。
13. A spatial light modulator according to claim 12, a 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. An image display device characterized by.
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