JP2009145772A - Optical element and display device using same - Google Patents

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Tadao Katsuragawa
忠雄 桂川
Takayoshi Sasaki
高義 佐々木
Minoru Osada
実 長田
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National Institute for Materials Science
Ricoh Co Ltd
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National Institute for Materials Science
Ricoh Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element which is thin in thickness, has a high refractive index and is useful for a camera lens, a shutter or the like. <P>SOLUTION: In the optical element having a transparent magnetic body whose surface has at least a concave or convex shape, a mechanism magnetizing the transparent magnetic body and a polarizer which are provided in this order along an optical path, the transparent magnetic body preferably includes a titania nano-sheet represented by chemical formula:Ti<SB>2-X</SB>M<SB>X</SB>O<SB>4</SB>(wherein M denotes at least one transition metal selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu and x satisfies 0<x<2). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は透明磁体のファラデー効果を用いた光学素子、及びこの光学素子を用いた表示装置に関し、詳しくは、その形状に依存したレンズ機能を有した透明磁性体と、この透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とを組み合わせて設けた、特に電気的に光を高速度にスイッチングする電気式レンズシャッターとして有用な光学素子、及びこの光学素子に光源と駆動回路とを組み合わせて設けた表示装置に関する。   The present invention relates to an optical element using the Faraday effect of a transparent magnetic body and a display device using the optical element, and more specifically, a transparent magnetic body having a lens function depending on its shape, and magnetizing the transparent magnetic body An optical element useful as an electric lens shutter that is provided with a mechanism and a polarizer in combination, particularly for electrically switching light at a high speed, and a display device provided with a combination of a light source and a drive circuit on the optical element About.

本発明は透明磁性体に、光を屈折させるレンズ機能と磁気光学効果(ファラデー効果)機能とを併せ持たせることにより、従来の機械式シャッターが無くとも、電気的に光を開閉自在とするカメラ用レンズなどの光学素子に関するものである。この場合の従来技術としては、1)カメラ用レンズと2)シャッターがある。
従来より、光学機器用レンズにはガラスや石英などの材料が一般的に用いられてきており、また、シャッターとしては機械式に光路を開閉するものが用いられてきた。
しかしながら、こうした従来の光学機器用レンズに対しては次の課題や要望があった。即ち、光学機器をより小型化するために、大きな屈折率を有する材料を用いてより薄い形状としたいという課題である。
また従来の機械式シャッターに対しては次の課題や要望があった。
(1)開閉するシャッター羽根の接触による、開閉時間のバラツキがある。また振動が生じて画像ぶれが生じ易かった。
(2)300万画素以上の携帯電話用カメラが開発されているが、この場合には落下時の衝撃に耐えるシャッター取り付けが必須要件であるが、必ずしも十分にこの課題が解決されていない。
(3)現在は最大で1/2000秒程度のシャッタースピードであるが、更に高速化して、安価に高速度撮影をしたいという要求がある。
(4)レンズを2次元にアレイ化して、画像形成用途に用いたり、または光通信用に用いたりする用途があるが、個々のレンズにシャッターを同軸で配置することは困難であった。
(5)機械式シャッターの閉める体積部分を無くして小形化したいという要求があった。
The present invention provides a transparent magnetic body having a lens function for refracting light and a magneto-optical effect (Faraday effect) function, so that the camera can be opened and closed electrically without a conventional mechanical shutter. The present invention relates to an optical element such as an industrial lens. Conventional techniques in this case include 1) a camera lens and 2) a shutter.
Conventionally, materials such as glass and quartz have been generally used for lenses for optical devices, and a mechanical shutter that opens and closes an optical path has been used.
However, these conventional lenses for optical devices have the following problems and demands. That is, in order to further reduce the size of the optical device, it is a problem that a thinner shape is desired using a material having a large refractive index.
The conventional mechanical shutter has the following problems and requests.
(1) There is variation in opening and closing time due to contact of the shutter blades that open and close. In addition, vibrations were likely to cause image blur.
(2) A mobile phone camera having 3 million pixels or more has been developed. In this case, it is essential to attach a shutter that can withstand an impact when dropped, but this problem has not been sufficiently solved.
(3) At present, the shutter speed is about 1/2000 seconds at the maximum, but there is a demand for further speeding up and high-speed shooting at low cost.
(4) There are applications in which lenses are two-dimensionally arrayed and used for image formation or for optical communication, but it has been difficult to arrange shutters coaxially on individual lenses.
(5) There has been a demand to reduce the size by eliminating the volume portion of the mechanical shutter to be closed.

ところで、透明磁性体のファラデー効果を用いた磁気光学素子は、磁性膜の高い耐久性、即ち温度や湿度、薬品、光などに対する耐久性が高いことおよび、膜として高い柔軟性を有するために、支持体としてプラスチックフィルムを用いれば、フレキシブルな磁気光学素子として用いることができ、またナノ秒という速い書き換えスピード、及び磁気ペンなどによる追記が可能などの多くの特徴がある。そのためいくつかの磁気光学素子の提案がある。
従来のファラデー効果を用いた磁気光学素子においては、透明磁性体として「希土類鉄ガーネット薄膜」を用いたもの(特許文献1)や、「希土類鉄ガーネット粉末を塗布膜として」用いたもの(特許文献2)や、「希土類鉄ガーネット単結晶」を用いた磁気光学素子(非特許文献1)が提案されている。しかし「希土類鉄ガーネット薄膜」は製膜のための加熱温度が500℃〜700℃と高いために、使用する支持体が大幅に制限されて、例えばプラスチックフィルムを用いることが出来ない。また「希土類鉄ガーネット粉末」を用いる場合には、結晶化のための高温は必要ないが、粒界による大きな光散乱のために、実用的な膜厚においては可視光の透明性が得られず、従って光遮断時/光透過時の光量によって表示するコントラスト比が小さく実用的なコントラスト比は得られなかった。また、「希土類鉄ガーネット単結晶」は大きな面積で得る事が困難であり、フレキシビリティも得られず、高価であった。
By the way, the magneto-optical element using the Faraday effect of the transparent magnetic material has high durability of the magnetic film, that is, high durability against temperature, humidity, chemicals, light and the like, and has high flexibility as the film. If a plastic film is used as the support, it can be used as a flexible magneto-optical element, and has many features that can be rewritten at nanoseconds and can be additionally written with a magnetic pen or the like. For this reason, there are several proposals for magneto-optical elements.
Conventional magneto-optical elements using the Faraday effect include those using “rare earth garnet thin film” as a transparent magnetic material (Patent Document 1) and those using “rare earth iron garnet powder as a coating film” (Patent Document 1). 2) and a magneto-optical element (non-patent document 1) using “rare earth iron garnet single crystal” have been proposed. However, since the heating temperature for forming the “rare earth garnet thin film” is as high as 500 ° C. to 700 ° C., the support to be used is greatly limited, and for example, a plastic film cannot be used. In addition, when “rare earth iron garnet powder” is used, high temperature for crystallization is not required, but due to large light scattering by the grain boundary, transparency of visible light cannot be obtained at a practical film thickness. Therefore, the displayed contrast ratio is small depending on the amount of light at the time of light blocking / light transmission, and a practical contrast ratio cannot be obtained. In addition, “rare earth iron garnet single crystal” is difficult to obtain in a large area, is not flexible, and is expensive.

また、ファラデー回転を利用した代表的素子としては、1990年代の米国カーネギーメロン大学とリットン社とで共同開発された空間光変調器がある(非特許文献1)。この素子ではLPE法で作製した3μmもの厚い単結晶希土類鉄ガーネット膜を用いており、また各ピクセルは分離されている。XとYのドライブラインを用いており、交点での局部的磁界強度を用いて磁化反転させる方法である。しかし効率が悪く従って大きな電流(250mA)を用いている。またX配線は磁界利用効率を高めるために、希土類鉄ガーネット膜中に埋め込むと言う複雑な構造がとられている。   As a representative element using Faraday rotation, there is a spatial light modulator jointly developed by Carnegie Mellon University in the 1990s and Lytton (Non-Patent Document 1). In this element, a 3 μm thick single crystal rare earth iron garnet film manufactured by the LPE method is used, and each pixel is separated. This is a method in which X and Y drive lines are used, and magnetization is reversed using the local magnetic field strength at the intersection. However, it is inefficient and therefore uses a large current (250 mA). Further, the X wiring has a complicated structure in which it is embedded in a rare earth iron garnet film in order to increase the magnetic field utilization efficiency.

しかしながら、上記の光学素子における磁性体をカメラ用レンズや2次元化したレンズ及びシャッターに適応することは、所望の光透過率に達していない、実用的なファラデー回転角を得るのが難しい等の理由から困難であると考えられていた。また、透明磁性体としてよく知られた磁性ガーネット(例えばYIGがある)は、鉄イオンによる光吸収のために、無色ではなく、黄色味を帯びていた。またGGG(ガドリウム ガリウム ガーネット)というようなエピタキシャル用の基板材料の上に、単結晶として形成されて用いられることが多かった。この単結晶作製には多くの時間とコストが必要で利用上不便であった。   However, adapting the magnetic material in the optical element to a camera lens, a two-dimensional lens and a shutter does not reach a desired light transmittance, and it is difficult to obtain a practical Faraday rotation angle. It was considered difficult for a reason. Further, a magnetic garnet well known as a transparent magnetic material (for example, YIG) was not colorless and yellowish due to light absorption by iron ions. Moreover, it was often used by being formed as a single crystal on an epitaxial substrate material such as GGG (gadlium gallium garnet). This single crystal production requires a lot of time and cost and is inconvenient in use.

一方、透明磁性体としては、既にチタニアナノシートが提案されている(特許文献3)。ここでは、チタニア磁性半導体ナノ薄膜と有機膜を1層ずつ、電気的なエネルギーを用いて積層していく製膜方法(交互自己組織化技術)(図1)がとられている。またチタニアナノシート分散液に水溶性有機化合物などの各種有機化合物を添加して、スピンコート法などの塗布法を用いて形成することも可能である。
このチタニアナノシートは光吸収に関して図2に示すように可視光域で非常に小さいという特徴を有する。また紫外光に対しては吸収性能が大きいという特性を有する。Co置換とFe置換の2種類のチタニアナノシートを積層すると、30°/μmの回転角が得られることが既に非特許文献2で報告されている。
On the other hand, as a transparent magnetic material, a titania nanosheet has already been proposed (Patent Document 3). Here, a film-forming method (alternative self-organization technique) (FIG. 1) is used in which a titania magnetic semiconductor nano-thin film and an organic film are stacked one by one using electrical energy. It is also possible to add various organic compounds such as a water-soluble organic compound to the titania nanosheet dispersion and use a coating method such as a spin coating method.
This titania nanosheet has a feature that it is very small in the visible light region with respect to light absorption as shown in FIG. Moreover, it has the characteristic that absorption performance is large with respect to ultraviolet light. It has already been reported in Non-Patent Document 2 that a rotation angle of 30 ° / μm can be obtained by laminating two types of titania nanosheets of Co substitution and Fe substitution.

特公昭56−15125号公報Japanese Examined Patent Publication No. 56-15125 特開昭62−119758号公報JP-A-62-1119758 特開2006−199556号公報JP 2006-199556 A J.Appl.Phys.,76,p1910(1994)J-k.ChoほかJ. Appl. Phys., 76, p1910 (1994) J-k.Cho et al. Adv.Mater.,18,295-299(2006)Adv.Mater., 18,295-299 (2006)

本発明は、上記の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、より薄くて、大きな屈折率を有する光学素子を提供することであり、更にはこの光学素子を用いることによって先に記載した機械的なシャッターの問題点を解消して、即ち、(i)開閉するシャッター羽根の接触による開閉時間のバラツキや振動を無くし、(ii)シャッタースピードを向上させ、(iii)シャッター機能を小形化し、(iv)2次元アレイ化したレンズすべてが高速度に個別に光路開閉を制御できるようにした、特にカメラ用レンズ・シャッター等に有用な光学素子、及びカラー画像等がスクリーン上に拡大・縮小して表示できる表示装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and is to provide an optical element that is thinner and has a large refractive index, and further described above by using this optical element. Eliminates mechanical shutter problems, that is, (i) eliminates opening / closing time fluctuations and vibrations due to contact of shutter blades that open and close, (ii) improves shutter speed, and (iii) reduces shutter function , (Iv) All two-dimensional arrayed lenses can individually control the opening and closing of the optical path at high speeds, especially optical elements useful for camera lenses and shutters, and color images, etc. It is an object of the present invention to provide a display device that can be displayed in the same manner.

本発明によれば、前記課題は下記(1)〜(8)によって解決される。
(1)表面が少なくとも凹または凸形状を有する透明磁性体と、該透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とが、この順に光路に沿って設けられてなることを特徴とする光学素子。
(2)前記透明磁性体は、化学式:Ti2−X (ただし、M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも1種の遷移金属、0<x<2)で表されるチタニアナノシートを含有することを特徴する前記(1)に記載の光学素子。
(3)前記透明磁性体は、肉厚が連続的に変化しており、その連続的肉厚変化に応じて磁化する機構が磁場勾配を有することを特徴する前記(1)または(2)に記載の光学素子。
(4)前記透明磁性体は、連続的肉厚の増加に対応して、チタニアナノシートの遷移金属の置換量が低減されることを特徴する前記(2)または(3)のいずれかに記載の光学素子。
(5)前記透明磁性体を透明支持体上に規則的な2次元配列として設けたことを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかに記載の光学素子。
(6)偏光変換素子を前記(1)〜(5)のいずれかに記載の光学素子の入射光側に配置して用いることを特徴とする光学素子。
(7)前記透明磁性体を透明支持体の陥没部位に設けることを特徴とする前記前記(1)〜(6)のいずれかに記載の光学素子。
(8)前記(1)〜(7)のいずれかに記載の光学素子に加えて、光源と透明磁性体を磁化する機構の駆動回路とを設けたことを特徴とする表示装置。
According to this invention, the said subject is solved by following (1)-(8).
(1) An optical element comprising a transparent magnetic material having a concave or convex surface at least, a mechanism for magnetizing the transparent magnetic material, and a polarizer in this order along the optical path.
(2) The transparent magnetic material has a chemical formula: Ti 2-X M X O 4 (where M = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, at least one transition metal, 0 <x <2) The titania nanosheet represented by (2) is contained, The optical element as described in said (1) characterized by the above-mentioned.
(3) In the above (1) or (2), the thickness of the transparent magnetic material is continuously changed, and the mechanism of magnetization according to the continuous thickness change has a magnetic field gradient. The optical element described.
(4) The transparent magnetic body according to any one of (2) and (3), wherein the transition metal substitution amount of the titania nanosheet is reduced corresponding to the continuous increase in thickness. Optical element.
(5) The optical element according to any one of (1) to (4), wherein the transparent magnetic body is provided as a regular two-dimensional array on a transparent support.
(6) An optical element characterized in that a polarization conversion element is disposed and used on the incident light side of the optical element according to any one of (1) to (5).
(7) The optical element according to any one of (1) to (6), wherein the transparent magnetic body is provided in a depressed portion of a transparent support.
(8) A display device comprising a light source and a drive circuit for a mechanism for magnetizing a transparent magnetic material in addition to the optical element according to any one of (1) to (7).

(1)請求項1に記載の発明によれば、透明磁性体表面を凹形状または凸形状にして形成し、該透明磁性体を磁化する機構と偏光子を合わせ有する光学素子としたので、偏光を発生する光源とともに用いることにより、光の進行方向を大きく変化(屈折)させるというレンズ効果と該光学素子通過光の偏光面が大きく回転するという2つの機能を合わせ持たせることができる。
(2)請求項2に記載の発明によれば、化学式:Ti2−XMxO (ただし、M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも1種の遷移金属、0<x<2)で表される凹または凸形状を有して、且つ大きな屈折率を有する透明磁性体を用いたので、より薄くて、小型化した光学素子を提供することができる。また本光学素子の光透過、遮断スピードもナノ秒という高速度とすることができる。
(3)請求項3に記載の発明によれば、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚変化に反比例して、印加磁場強度を変化できるようにしたので、表面形状に依存しないファラデー回転角が得られて、上記請求項1に記載の発明と同様の効果がより有効に得ることができる。
(4)請求項4に記載の発明によれば、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚に反比例して、チタニアナノシートの遷移金属の置換量を変化させたので、表面形状に依存しないファラデー回転角が得られて、上記請求項1に記載の発明と同様の効果がより有効に得ることができる。
(5)請求項5に記載の発明によれば、透明支持体上に凹または凸形状を有する透明磁性体を規則的な2次元配列としたので、レンズすべてが高速度に光路開閉を制御でき画像表示素子としての有用性が向上する。
(6)請求項6に記載の発明によれば、分離した偏光の出射位置が一致した偏光変換素子を光路前方に配置して用いることにより、従来は最大でも50%であった光の利用効率が70〜80%程度と大幅に向上できる。
(7)請求項7に記載の発明によれば、凹または凸形状を有する透明磁性体を、透明支持体の陥没部位に設けて、支持体と一体化して用いるようにしたので、画像表示素子の作成方法が簡便になり、またそのまま利用が可能となって有用性が大幅に増加する。
(8)請求項8に記載の発明によれば、複数の光学素子を配列した後、この素子の透明磁性体を個別に磁化する機構の駆動回路を設けて、光源からの各素子への光を個別に透過又は遮断して(半開でもよい)、投影用のスクリーンに光源からの光を拡大・縮小して表示装置として利用するようにしたので、従来のような大掛かりなレンズ系や、シャッターを別途設ける必要が無く、コンパクトな構成が可能となって有用性が大いに高められる。RGB(R:レッド、G:グリーン、B:ブルー)用素子を組にして1画素用に設ければカラー画像は容易に得られるし、特にシャッター速度(開閉速度)が電子スピンの反転を用いるので高速である。
(1) According to the first aspect of the present invention, the transparent magnetic material surface is formed in a concave shape or a convex shape, and the optical element having a mechanism for magnetizing the transparent magnetic material and a polarizer is provided. By using it together with a light source that generates light, it is possible to have both the lens effect of greatly changing (refracting) the traveling direction of light and the two functions of greatly rotating the polarization plane of the light passing through the optical element.
(2) According to the invention described in claim 2, the chemical formula: Ti 2-X MxO 4 (wherein M = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, at least one kind of transition metal, Since a transparent magnetic material having a concave or convex shape represented by 0 <x <2) and having a large refractive index is used, a thinner and smaller optical element can be provided. In addition, the light transmission and blocking speed of the optical element can be as high as nanoseconds.
(3) According to the invention described in claim 3, since the applied magnetic field strength can be changed in inverse proportion to the continuous thickness change of the transparent magnetic material having a concave or convex shape, it does not depend on the surface shape. The Faraday rotation angle is obtained, and the same effect as that of the first aspect of the invention can be obtained more effectively.
(4) According to the invention described in claim 4, since the substitution amount of the transition metal of the titania nanosheet is changed in inverse proportion to the continuous thickness of the transparent magnetic material having a concave or convex shape, the surface shape is changed. An independent Faraday rotation angle is obtained, and the same effect as that of the first aspect of the invention can be obtained more effectively.
(5) According to the invention described in claim 5, since the transparent magnetic body having a concave or convex shape on the transparent support has a regular two-dimensional array, all the lenses can control the opening and closing of the optical path at high speed. Usefulness as an image display element is improved.
(6) According to the invention described in claim 6, by using a polarization conversion element in which the exit positions of the separated polarized lights coincide with each other in the front of the optical path, the light utilization efficiency which has been 50% at the maximum in the past is used. Can be greatly improved to about 70 to 80%.
(7) According to the invention described in claim 7, since the transparent magnetic body having a concave or convex shape is provided in the depressed portion of the transparent support and used integrally with the support, the image display element The production method becomes simple and can be used as it is.
(8) According to the invention described in claim 8, after arranging a plurality of optical elements, a drive circuit of a mechanism for magnetizing the transparent magnetic bodies of the elements is provided, and light from the light source to each element is provided. Since the light from the light source is enlarged or reduced on the projection screen and used as a display device, it can be used as a display device. There is no need to provide a separate structure, and a compact configuration is possible, and the usefulness is greatly enhanced. If RGB (R: red, G: green, B: blue) elements are combined and provided for one pixel, a color image can be easily obtained, and in particular, the shutter speed (opening / closing speed) uses inversion of electron spin. So fast.

以下に、本発明に係る光学素子及び表示装置について詳細に説明する。
本発明における光学素子(請求項1、2に記載の発明)は、カメラ用レンズや2次元化したレンズ及びシャッターに有用なものであることから、磁性材料には透明なものを用いられる。本発明で用いられる透明磁性体というのは、従って可視光に限らなくて、紫外光や赤外光でも利用できるが、少なくとも光透過率が80%以上好ましくは95%以上を有する磁性体に適用できる。また、本発明で用いる透明磁性体は、屈折率εμ1/2(εは誘電率、μは透磁率)が高い材料、即ち誘電率および透磁率の大きい材料が選択されるのが望ましい。
The optical element and display device according to the present invention will be described in detail below.
Since the optical element according to the present invention (the invention described in claims 1 and 2) is useful for a camera lens, a two-dimensional lens and a shutter, a transparent magnetic material is used. The transparent magnetic material used in the present invention can be used not only for visible light but also for ultraviolet light and infrared light, but is applied to a magnetic material having at least a light transmittance of 80% or more, preferably 95% or more. it can. For the transparent magnetic material used in the present invention, a material having a high refractive index εμ1 / 2 (ε is a dielectric constant and μ is a magnetic permeability), that is, a material having a high dielectric constant and magnetic permeability is preferably selected.

本発明で用いる透明磁性体は多結晶膜でもよいし単結晶でもよい。また透明磁性体は、強磁性体でもよいし、また常磁性体や反強磁性体などでも用いることができる。常磁性体の場合には、外部磁場を付与できることが必須条件となる。本発明で用いる磁性体が透明と限定しているのは、光の波長に依存し、可視光を用いる場合には400〜800nmで透明であることが必要であるし、また紫外光や赤外光などで透明であれば、異なった用途例えば光通信用途に用いることができるためである。   The transparent magnetic material used in the present invention may be a polycrystalline film or a single crystal. The transparent magnetic material may be a ferromagnetic material, or a paramagnetic material or an antiferromagnetic material. In the case of a paramagnetic material, it is an essential condition that an external magnetic field can be applied. The reason why the magnetic material used in the present invention is transparent is dependent on the wavelength of light, and when visible light is used, it is necessary to be transparent at 400 to 800 nm, and ultraviolet light and infrared light. This is because if it is transparent with light or the like, it can be used for different applications such as optical communication.

本発明におけるファラデー効果を有する一般的な透明強磁性材料としては、Coフェライト、Baフェライトなどの酸化物、FeBO、FeF、YFeO、NdFeOなどの複屈折が大きな材料、MnBi、MnCuBi、PtCoなどが挙げられ、透明性が得られる程度に薄くして(誘電体膜と組み合わせてもよい)使用することが可能である。特に透明度が高い無機磁性材料としては、n型Zn1−XOやCoをドープしたTiOなどがある。 As a general transparent ferromagnetic material having a Faraday effect in the present invention, oxides such as Co ferrite and Ba ferrite, materials having large birefringence such as FeBO 3 , FeF 3 , YFeO 3 , and NdFeO 3 , MnBi, MnCuBi, PtCo or the like can be used, and it can be used as thin as possible to obtain transparency (may be combined with a dielectric film). Inorganic magnetic materials with particularly high transparency include n-type Zn 1-X V X O and Co-doped TiO 2 .

また、可視光全体にわたって均一でかつ大きな性能指数を有する透明磁性材料としては、下記一般式で表される希土類鉄ガーネットを用いることができる。
3−XFe5−y12
(式中、0.2<x<3、0≦y<5であり、
Rは希土類金属で、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuのうちの少なくとも一種以上であり、
AはBi、Ce、Pb、Ca及びPtのうちの少なくとも一種以上であり、
BはAl、Ga、Cr、Mn、Sc、In、Ru、Rh、Co、Fe(II)、
Cu、Ni、Zn、Li、Si、Ge、Zr、Tiの少なくとも一種以上である。)
In addition, rare earth iron garnet represented by the following general formula can be used as a transparent magnetic material that is uniform over the entire visible light and has a large figure of merit.
R 3-X A X Fe 5 -y B y O 12
(Where 0.2 <x <3, 0 ≦ y <5,
R is a rare earth metal and is at least one of Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu;
A is at least one of Bi, Ce, Pb, Ca and Pt,
B is Al, Ga, Cr, Mn, Sc, In, Ru, Rh, Co, Fe (II),
It is at least one of Cu, Ni, Zn, Li, Si, Ge, Zr, and Ti. )

上記した常磁性体としては以下の磁性体が用いられる。
立方晶系ガーネット構造を有するTbAl12単結晶は、可視光域及び近紫外光域で透明でありかつ大きなファラデー回転角を有しているので、本発明の光学素子用磁性体として用いることができる。TbAl12単結晶は、フラックス法またはレーザーを用いたフローティング・ゾーン法を用いて作製される。
The following magnetic materials are used as the paramagnetic materials described above.
The Tb 3 Al 5 O 12 single crystal having a cubic garnet structure is transparent in the visible light region and near-ultraviolet light region and has a large Faraday rotation angle. Therefore, the Tb 3 Al 5 O 12 single crystal has a large Faraday rotation angle. Can be used. The Tb 3 Al 5 O 12 single crystal is manufactured using a flux method or a floating zone method using a laser.

本発明で特に好ましく用いる透明磁性体は、以下の化学式で表されるチタニアナノシートである。
化学式:Ti2−X (ただし、M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも1種の遷移金属、0<x<2)
このものは、Ti格子位置に磁性元素が少なくとも1種の金属が置換した層状チタン酸化物微結晶を化学的処理により結晶構造の基本最小単位である層1枚にまで剥離して得られる薄片粒子(以下チタニアナノシートと呼ぶ)からなる磁性半導体ナノ薄膜である。このチタニアナノシートは誘電率が酸化チタン(ルチル)の約2倍であり透磁率も共に大きい。即ちより薄くて屈折率が大きいので、光学素子として例えばカメラ用レンズや光ピックアップ用レンズ、更には2次元化したアレイ状レンズなどを大幅に小型化できることとなる。以下にこのナノシート作製方法に関して述べる。
The transparent magnetic material particularly preferably used in the present invention is a titania nanosheet represented by the following chemical formula.
Chemical formula: Ti 2-X M X O 4 (where M = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, at least one transition metal, 0 <x <2)
This is a flake particle obtained by exfoliating a layered titanium oxide microcrystal having a magnetic element substituted with at least one metal at a Ti lattice position into one layer which is a basic minimum unit of crystal structure by chemical treatment. It is a magnetic semiconductor nano thin film made of (hereinafter referred to as titania nano sheet). This titania nanosheet has a dielectric constant approximately twice that of titanium oxide (rutile) and a large permeability. In other words, since it is thinner and has a higher refractive index, for example, a camera lens, an optical pickup lens, and a two-dimensional array lens can be greatly reduced in size. The nanosheet production method will be described below.

まず、層状構造を有するチタン酸化物粉末に塩酸などの酸水溶液を接触させ、生成物をろ過、洗浄後、乾燥させると処理前に層間に存在したアルカリ金属イオンがすべて水素イオンに置き換わり、水素型物質が得られる。次に得られた水素型物質をアミン等の水溶液中に入れ撹拌すると、コロイド化する。このとき、層状構造を構成していた層が1枚1枚にまで剥離することとなる。なお、前段の酸処理は、特公平6−88786号、特許第1966650号及び特公平6−78166号、特許第1936988号、特開平9−25123号、特許第2671949号等公報に開示されている。   First, an aqueous solution of acid such as hydrochloric acid is brought into contact with the titanium oxide powder having a layered structure, and the product is filtered, washed, and dried to replace all alkali metal ions present between the layers before treatment with hydrogen ions. A substance is obtained. Next, when the obtained hydrogen-type substance is put into an aqueous solution of amine or the like and stirred, it is colloidalized. At this time, the layers constituting the layered structure are peeled up one by one. The acid treatment in the former stage is disclosed in Japanese Patent Publication No. 6-88786, Japanese Patent No. 1966650 and Japanese Patent Publication No. 6-78166, Japanese Patent No. 1936988, Japanese Patent Laid-Open No. 9-25123, Japanese Patent No. 2671949, and the like. .

また出発化合物である層状チタン酸化物としては、レピドクロサイト型チタン酸塩のTi格子位置に遷移金属元素(V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)が少なくとも1種置換した層状チタン酸化物Ti2−X (ただし、M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも1種、0<x<2)などを用いることができる。より好ましくは、Fe又はCo元素を0<x<0.8の範囲に置換することである。室温以上での強磁性特性を誘起する遷移金属元素としては、Fe又はCo元素を0<x<0.8の範囲に置換することが望ましいが、V、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも1種の遷移金属濃度の調整、2種以上の金属の組み合わせ、ドーパントの添加などにより強磁性特性、例えば、磁化率、磁気光学特性、磁気転移温度などを調整することが可能となる。CoとFeと言うように2種類の元素を同時に1つのナノシート中に置換することも、大きなファラデー回転角を得るための有力な方法である。 As the layered titanium oxide as a starting compound, layered titanium in which at least one transition metal element (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) is substituted at the Ti lattice position of the lipidocrocite-type titanate. Oxides Ti 2-X M X O 4 (where M = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, etc., 0 <x <2) can be used. More preferably, the Fe or Co element is substituted in the range of 0 <x <0.8. As a transition metal element that induces ferromagnetic properties at room temperature or higher, it is desirable to replace Fe or Co element in the range of 0 <x <0.8, but from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni It is possible to adjust ferromagnetic properties such as magnetic susceptibility, magneto-optical properties, magnetic transition temperature, etc. by adjusting the concentration of at least one selected transition metal, combining two or more metals, and adding a dopant. . Replacing two kinds of elements in one nanosheet at the same time, such as Co and Fe, is also an effective method for obtaining a large Faraday rotation angle.

ついで、上記の層状チタン酸化物Ti2−Xを酸処理して水素型(H0.8Ti2−X・nHO)に変換後、適当なアミンなどの水溶液中で振盪することにより、ゾル化する。このゾル化する段階で、前記化学式:Ti2−X (ただし、M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも1種の遷移金属、0<x<2)を有するであるチタニアナノシートが生成され、ゾル溶液中には母結晶を構成していた層、すなわちナノシートが1枚ずつ水中に分散している。ナノシートの厚みはその出発母結晶の結晶構造に依存するが、1nm前後と極めて薄い。一方、横サイズはμmオーダーであり、形状において非常に高い2次元異方性を有する。 Next, the above layered titanium oxide Ti 2-X M X O 4 is acid-treated and converted into a hydrogen type (H 0.8 Ti 2-X M X O 4 .nH 2 O), and then an appropriate amine or the like is used. Solize by shaking in aqueous solution. In this solification step, the chemical formula: Ti 2 -X M X O 4 (wherein M = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, at least one transition metal, 0 <x < The titania nanosheet having 2) is produced, and the layers constituting the mother crystal, that is, the nanosheets are dispersed in water one by one in the sol solution. The thickness of the nanosheet depends on the crystal structure of the starting mother crystal, but is extremely thin, around 1 nm. On the other hand, the lateral size is on the order of μm and has a very high two-dimensional anisotropy in shape.

なお、以上で説明したチタニアナノシートにおいては、可視光域におけるファラデー回転角の波長依存性が極めて少ない透明磁性体として形成することができる。従って、波長依存性が小さくなければならないレンズとしても利用することができるようになった。例えば後記の実施例1で示す、CoFe同時置換ナノシートが挙げられ、可視光域での波長依存性は極めて少ない。   In addition, in the titania nanosheet demonstrated above, it can form as a transparent magnetic body with very little wavelength dependence of the Faraday rotation angle in a visible light region. Therefore, it can be used as a lens that must have a small wavelength dependency. For example, a CoFe simultaneous substitution nanosheet shown in Example 1 described later can be mentioned, and the wavelength dependency in the visible light region is extremely small.

ところで、従来技術の課題で述べたように、チタニアナノシートの分散液をそのままスピンコーターその他の塗布方法で1μm程度の厚みに塗布すると、ランダムに積層したナノシートからの光散乱によって透明性が得られないという不具合がある。ここでチタニアナノシート分散液の分散剤としては、TBA(テトラ ブチル アンモニウム)が好ましく用いられる。勿論他の分散剤でも構わないが、チタニアナノシートはマイナス電荷を帯びているので、電気的な結合により凝集を発生させない材料が必要となる。TBAは水溶媒への分散剤として用いられ、製膜時にナノシートのほぼ全表面を一層で覆うような構造をとり、ナノシートを包囲する。   By the way, as described in the problem of the prior art, when the titania nanosheet dispersion is directly applied to a thickness of about 1 μm by a spin coater or other application method, transparency cannot be obtained by light scattering from the randomly stacked nanosheets. There is a problem that. Here, TBA (tetrabutylammonium) is preferably used as a dispersant for the titania nanosheet dispersion. Of course, other dispersants may be used. However, since the titania nanosheet has a negative charge, a material that does not cause aggregation due to electrical coupling is required. TBA is used as a dispersant in an aqueous solvent and has a structure that covers almost the entire surface of the nanosheet with a single layer during film formation, and surrounds the nanosheet.

また、本発明においては水溶性(水性)高分子を水溶性有機化合物として分散剤以外に追加して用いることにより、光散乱を低下させて、膜の透明性を確保することができる。ナノシートで散乱した光は、この追加した透明高分子により、光導波路のように磁性体を通過すると思われる。   In the present invention, by using a water-soluble (aqueous) polymer as a water-soluble organic compound in addition to the dispersant, light scattering can be reduced and the transparency of the film can be ensured. The light scattered by the nanosheet seems to pass through the magnetic material like an optical waveguide by the added transparent polymer.

なお、水溶性(水性)高分子の使用量としてはあまり少ないと光の通過路としての機能が果たせない。また、あまり多いと磁性体としての機能が低下しすぎることになる。0〜40重量%の間で最適な混合量を検討したところ、透明性は混合量に比例して向上するが、5重量%〜30重量%が高い透過率が得られ、特に好ましいことがわかった。31重量%以上では磁気的特性特にファラデー回転角の低下が著しいので、30重量%以下の混合量が好ましい。   If the amount of the water-soluble (aqueous) polymer used is too small, it cannot function as a light passage. On the other hand, if the amount is too large, the function as a magnetic material will be too low. Examination of the optimum mixing amount between 0 to 40% by weight reveals that the transparency improves in proportion to the mixing amount, but 5 to 30% by weight gives a high transmittance and is particularly preferable. It was. If the content is 31% by weight or more, the magnetic characteristics, particularly the Faraday rotation angle, is remarkably lowered. Therefore, a mixing amount of 30% by weight or less is preferable.

また、水溶性(水性)高分子を用いることにより、TBAなどの分散剤によって抱き込まれた気泡を大幅に減少させる効果が生じる。水溶性(水性)高分子を用いない場合には、製膜乾燥後の膜中には多くの空孔(数百nmから数μmの長さ)が含まれ、光散乱を生しで膜の透明性が低下するが、水溶性(水性)高分子を用いた場合には、この空孔が断面TEM観察しても見られない。結果として膜の透明性が大幅に向上することになる。膜の透明性は本発明品を使用する場合に、非常に重要である。   In addition, the use of a water-soluble (aqueous) polymer has an effect of greatly reducing bubbles encapsulated by a dispersant such as TBA. When a water-soluble (aqueous) polymer is not used, the film after the film formation and drying contains many pores (length of several hundred nm to several μm), and light scattering causes film formation. Although the transparency is lowered, when a water-soluble (aqueous) polymer is used, these pores are not seen even when observed by cross-sectional TEM. As a result, the transparency of the film is greatly improved. The transparency of the film is very important when the product of the present invention is used.

ここで言う水溶性(水性)高分子とは、水に溶解する高分子であり、例えば、でんぷん、カゼイン、にかわ、ゼラチン、アラビアガム、アルギン酸ソーダ、ペクチンなどの天然高分子、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ビスコースなどの半合成高分子、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸ソーダ、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドンなどの合成高分子が挙げられる。   The water-soluble (aqueous) polymer mentioned here is a polymer that dissolves in water. For example, natural polymers such as starch, casein, glue, gelatin, gum arabic, sodium alginate, pectin, carboxymethylcellulose, methylcellulose, Examples include semisynthetic polymers such as viscose, and synthetic polymers such as polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyethyleneimine, sodium polyacrylate, polyethylene oxide, and polyvinylpyrrolidone.

なおこのようにして作製した磁性体(透明磁性体)は、製膜後、過熱又はUV照射によってTBAが吸収している水分を取り除く方が好ましく、よりナノシート層のファラデー効果を発揮することがわかった。加熱は100℃〜150℃、10分〜数時間程度で良い。またUV照射は数時間から数十時間と十分に照射することが好ましい。例えば1μmの厚みに塗布した場合のファラデー回転角は、チタニアナノシートの磁性原子置換条件によるが、5〜20°と実用上適用可能な値が得られた。   In addition, it is preferable that the magnetic body (transparent magnetic body) produced in this way removes moisture absorbed by TBA after film formation by overheating or UV irradiation, and it is understood that the Faraday effect of the nanosheet layer is more exhibited. It was. The heating may be about 100 ° C. to 150 ° C., about 10 minutes to several hours. Moreover, it is preferable that UV irradiation is sufficiently performed for several hours to several tens of hours. For example, the Faraday rotation angle when applied to a thickness of 1 μm depends on the magnetic atom substitution conditions of the titania nanosheet, but a practically applicable value of 5 to 20 ° was obtained.

また本発明の透明磁性体において、前記水溶性(水性)高分子は、ゼラチンであることが好適である。
本発明においては、ナノシートは積層して用いられることが好ましいが、水溶性(水性)高分子の中でも、ゼラチンはこの点(ナノシートの積層化)において特に好ましい。ゼラチンと、他の水溶性高分子、例えば上記カルボキシメチルセルロースやヒドロキシエチルセルロース、ポリビニルアルコールをナノシートの10重量%用いた場合に、膜厚みを1μmとして塗布すると、X線回折図における回折ピーク(2θ≒4.8°)強度はそれぞれ以下のとおりであった。
・カルボキシメチルセルロース 33 kcounts/s
・ヒドロキシエチルセルロース 11 kcounts/s
・ポリビニルアルコール 18 kcounts/s
・ゼラチン 75 kcounts/s
In the transparent magnetic material of the present invention, the water-soluble (aqueous) polymer is preferably gelatin.
In the present invention, the nanosheets are preferably used by being laminated, but among the water-soluble (aqueous) polymers, gelatin is particularly preferable in this respect (lamination of nanosheets). When gelatin and other water-soluble polymers such as carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and polyvinyl alcohol are used at 10% by weight of the nanosheet, when the film thickness is 1 μm, the diffraction peak (2θ≈4 in the X-ray diffraction diagram) is applied. .8 °) intensities were as follows.
・ Carboxymethylcellulose 33 kcounts / s
・ Hydroxyethylcellulose 11 kcounts / s
・ Polyvinyl alcohol 18 kcounts / s
・ Gelatin 75 kcounts / s

回折ピーク(2θ≒4.8°)強度はナノシートの積層周期によって生ずるもので、1次回折線と称され、他にも2次、3次などの回折線が現れる。回折ピーク強度は、支持体上におけるナノシートの配列規則性の高さの状態に比例して大きくなるので、ゼラチンの場合には非常に好ましいと言える。またゼラチンを用いた場合の膜断面をTEM法で観察すると、上記ゼラチン以外の3種類の水溶性高分子に比較して、最も膜中の空孔が少なくかつ表面凹凸が少ないため(平滑性が高い)に、膜の高い透明性が得られる最も好ましいことがわかった。なおゼラチンはたんぱく質の分解率を高めて用いた方が、ナノシートとの凝集発生が少なく好ましい。   The intensity of the diffraction peak (2θ≈4.8 °) is generated by the lamination period of the nanosheets and is called a first-order diffraction line, and other second-order and third-order diffraction lines appear. Since the diffraction peak intensity increases in proportion to the state of the high regularity of nanosheets on the support, it can be said that it is very preferable in the case of gelatin. When the cross section of the film using gelatin is observed by the TEM method, the number of pores in the film and the surface unevenness are the smallest compared to the three types of water-soluble polymers other than gelatin (smoothness is low). It was found that the film is most preferable because high transparency of the film can be obtained. In addition, it is preferable to use gelatin with a high protein degradation rate because it causes less aggregation with the nanosheet.

本発明の光学素子は、必ずしも透明支持体は必須ではないが、透明支持体上に本発明の透明磁性体からなるレンズを形成する場合がある。
また、本発明の磁性体は必要に応じて透明支持体上に設けられるが、この場合、前記支持体の表面に水に対する表面接触角を低下させる下地層(表面処理層)を設けることが好ましい。
ナノシートは上述してきたように、周期的配列性が非常に重要である。この配列性を高める要因としては、支持体の水に対する表面接触角があり、10°以下と低いことが重要なことがわかった。前記Ti格子位置に置換する元素がCoおよびFe(Fe0.2Co0.3Ti1.5)であるナノシート分散液(ゼラチン混合液)を用いて、膜厚みを1μmとして表面接触角が5°のガラスの支持体上に塗布すると、未処理の表面接触角21°のガラスの場合に比較して、X線回折図における回折ピーク(2θ≒4.8°)強度に大きな差異が現れ、表面接触角が5°のガラスの場合の方が約10倍大きく、且つ膜の透明性が高かった。
In the optical element of the present invention, a transparent support is not always essential, but a lens made of the transparent magnetic material of the present invention may be formed on the transparent support.
In addition, the magnetic body of the present invention is provided on a transparent support as necessary. In this case, it is preferable to provide an underlayer (surface treatment layer) that reduces the surface contact angle with water on the surface of the support. .
As described above, the periodic arrangement of nanosheets is very important. As a factor for improving the alignment, the surface contact angle of the support with water was found to be as low as 10 ° or less. Surface contact angle with a film thickness of 1 μm using a nanosheet dispersion (gelatin mixture) in which the elements to be substituted at the Ti lattice positions are Co and Fe (Fe 0.2 Co 0.3 Ti 1.5 O 4 ) Is applied on a glass support of 5 °, there is a large difference in the intensity of diffraction peaks (2θ≈4.8 °) in the X-ray diffraction pattern as compared to the case of glass with an untreated surface contact angle of 21 °. Appearance was about 10 times larger in the case of glass with a surface contact angle of 5 °, and the transparency of the film was higher.

ナノシートの配列性が低いと、膜のファラデー回転角も小さくなることがわかった。表面接触角が高いと、分散液中のナノシートの支持体表面へのなじみが悪く、従ってその上へのナノシートの配列性に差異が生ずるものと考えられる。   It was found that the Faraday rotation angle of the film decreases when the nanosheets are low in alignment. When the surface contact angle is high, it is considered that the nanosheets in the dispersion are not well adapted to the support surface, and therefore the arrangement of the nanosheets thereon is different.

なお、表面接触角を低下させる方法は従来から各種ある。例えば表面を酸素、オゾン、窒素、アルゴンなどの各種プラズマなどを用いて、支持体表面の汚れを落とす方法はよく用いられる。またナノシートは特殊形状(例えば厚さ1nm×縦1μm×横1μm)を呈しており、かつ電気的に強いマイナス電荷を帯びているという事情から、ナノシート分散液の濃度を高くすることができない。このために表面接触角の大小は特に重要で、長時間安定して低いことが要求される。支持体表面に下地層を設けるなどの加工処理することにより長時間低い表面接触角が得られる方法もある。例えば空気中真空雰囲気でのイオンビームを利用し、反応基を樹脂表面へ注入する表面改質処理方法や、界面活性剤など各種の有機材料塗布する方法、表面に微細な凹凸を設ける方法、酸化チタンなどの触媒機能を有する透明無機材料をPVD法やCVD法及び塗布法などで設ける方法など、表面処理層を設けることが好ましい。   There are various conventional methods for reducing the surface contact angle. For example, a method is often used in which the surface of the support is cleaned using various plasmas such as oxygen, ozone, nitrogen, and argon. In addition, the nanosheet has a special shape (for example, 1 nm in thickness × 1 μm in length × 1 μm in width) and has an electrically strong negative charge, so the concentration of the nanosheet dispersion cannot be increased. For this reason, the size of the surface contact angle is particularly important, and it is required to be stable and low for a long time. There is also a method in which a low surface contact angle can be obtained for a long time by processing such as providing a base layer on the surface of the support. For example, a surface modification method for injecting reactive groups onto the resin surface using an ion beam in a vacuum atmosphere in air, a method for applying various organic materials such as surfactants, a method for providing fine irregularities on the surface, oxidation It is preferable to provide a surface treatment layer such as a method of providing a transparent inorganic material having a catalytic function such as titanium by a PVD method, a CVD method, a coating method, or the like.

本発明の光学素子は、カメラ用レンズや2次元化したレンズ及びシャッターに有用であることから、透明磁性体はその形状が重要であり、従来のような平板形状では無く、表面が凹か凸形状に形成される必要がある。即ち、透明磁性体はレンズ機能をもたせるために、表面形状を凹か凸形状に形成される。これは光を大きく屈折させるためであり、特に上記したように、大きな屈折率を生かして用いるためである。この表面が凹か凸形状に形成された透明磁性体では、平板の一部分が凹形状または凸形状に形成されているのではなく、光を透過する表面が少なくとも凹または凸形状を有し、好ましくは凹または凸形状は連続的に(一定を含めて)変化するものである。矩形の溝形状などで用いた場合でも、集光や発散などのレンズ効果は、透明磁性体の大きな屈折率のために、従来よりも大きい。光が透過しない表面の形状は特段の制限はない。   Since the optical element of the present invention is useful for a camera lens, a two-dimensional lens, and a shutter, the shape of the transparent magnetic material is important, and the surface is not a flat plate shape, and the surface is concave or convex. It needs to be formed into a shape. That is, the transparent magnetic body has a concave or convex surface shape in order to provide a lens function. This is because the light is refracted greatly, and in particular, as described above, it is used taking advantage of a large refractive index. In this transparent magnetic body having a concave or convex surface, a part of the flat plate is not formed in a concave or convex shape, but the light transmitting surface has at least a concave or convex shape, preferably The concave or convex shape changes continuously (including constant). Even when used in a rectangular groove shape or the like, the lens effect such as condensing and divergence is larger than the conventional one due to the large refractive index of the transparent magnetic material. The shape of the surface that does not transmit light is not particularly limited.

透明磁性体は表面の形状が好ましくは連続的に変化するので、光を透過しない面(外形)は丸や角など適宜用いられるが、光は連続的変化の影響によって屈折率が変化して、レンズ効果が現れる。最も単純な例では、凹レンズや凸レンズである。透明磁性体はあらかじめ磁化されていてもよいし、磁化されていなくてもよい。   Since the shape of the surface of the transparent magnetic material preferably changes continuously, the surface (outer shape) that does not transmit light is appropriately used, such as a circle or a corner, but the refractive index of light changes due to the continuous change, The lens effect appears. The simplest example is a concave lens or a convex lens. The transparent magnetic material may be magnetized in advance or may not be magnetized.

現在市販されているレンズの屈折率は、プラスチックレンズで1.50〜1.74、ガラスレンズで1.50〜1.90である。このように屈折率の点ではガラスレンズの方が薄くできるが、しかし比重がプラスチックの1.17〜1.35に対して、ガラスでは2.41〜3.99と大きいために薄くて軽いものは出来ない。
本発明では、透明磁性体で特に好ましく用いられるチタニアナノシートの比重は、後に詳細に述べるように、ほぼ半分がポリマー材料で構成されるために、比重は2.0〜2.5程度である。また屈折率は2.0〜3.0と極めて大きい。このために薄くて軽いレンズを作製することができる。
しかし従来チタニアナノシートは平坦な膜状で用いたので、透明性が高くてもレンズとしては用いることが出来なかった。本発明者らはチタニアナノシートの分散液に5〜20重量%程度のゼラチンを混合したり、支持体上に表面接触角を低下させる処理をすることにより、80〜95%の透過率を得ることができるようになり、本発明を達成することができた。ゼラチンはチタニアナノシートの配列性を向上させたり、表面平滑性を向上させたりする効果以外に、接着剤機能も有するために、光学素子としての形状保持も可能となった。
The refractive indexes of lenses currently on the market are 1.50 to 1.74 for plastic lenses and 1.50 to 1.90 for glass lenses. In this way, the glass lens can be made thinner in terms of refractive index, but it is thin and light because the specific gravity is as large as 2.41 to 3.99 for glass compared to 1.17 to 1.35 for plastic. I can't.
In the present invention, the specific gravity of the titania nanosheet that is particularly preferably used in the transparent magnetic material is about 2.0 to 2.5 because the half is composed of a polymer material, as will be described in detail later. Further, the refractive index is as extremely large as 2.0 to 3.0. For this reason, a thin and light lens can be produced.
However, since conventional titania nanosheets were used in the form of a flat film, they could not be used as lenses even if they were highly transparent. The inventors of the present invention can obtain a transmittance of 80 to 95% by mixing about 5 to 20% by weight of gelatin with the dispersion of titania nanosheets or by reducing the surface contact angle on the support. As a result, the present invention has been achieved. Since gelatin has an adhesive function in addition to the effect of improving the alignment of titania nanosheets and improving the surface smoothness, the shape can be maintained as an optical element.

本発明では、透明磁性体は必ずしも光が透過する全表面が凹または凸形状でなくてもよく、平面と組み合わせた形状でもよい。例えば平板シート基板上に凸レンズ(椀状突起)を設けた複合型光学素子でもよい。   In the present invention, the transparent magnetic body does not necessarily have to have a concave or convex shape on the entire surface through which light passes, and may have a shape combined with a flat surface. For example, a composite optical element in which a convex lens (a ridge-like protrusion) is provided on a flat sheet substrate may be used.

本発明では上記した透明磁性体の表面形状を、レンズ機能を持たせるために凹または凸形状に形成するが、更に高速度シャッター機能を付与するために、透明磁性体の上に偏光子と、透明磁性体に近接してこの透明磁性体を磁化する機構例えば磁気コイル、永久磁石などを設けて光学素子として用いる。この光学素子においては、磁気コイルへの通電と停電によって光を透過または遮断する。磁性体の磁化は電子スピンの方向変化に因るので、磁界発生によって、透明磁性体の磁化方向を光の進行方向または進行と逆方向にナノ秒程度と高速度でかつ可逆的に変化できるという特徴を有する。   In the present invention, the surface shape of the transparent magnetic material is formed in a concave or convex shape in order to provide a lens function, but in order to further provide a high-speed shutter function, a polarizer on the transparent magnetic material, A mechanism for magnetizing the transparent magnetic material in the vicinity of the transparent magnetic material, such as a magnetic coil or a permanent magnet, is provided and used as an optical element. In this optical element, light is transmitted or blocked by energizing the magnetic coil and power failure. Since the magnetization of the magnetic material is caused by the change in the direction of electron spin, the magnetization direction of the transparent magnetic material can be reversibly changed at a high speed of about nanoseconds in the traveling direction of light or in the direction opposite to the traveling direction. Has characteristics.

従って、透明磁性体を磁気コイル等によって磁化方向を変化させると、従来の機械的なシャッターでは1/2000秒程度のシャッタースピードが、約1/1000000000秒程度と500000倍程度高速化される可能性を有する。更には従来の機械式シャッターの課題であった開閉するシャッター羽根の接触による、開閉時間のバラツキや振動を無くす。機械式シャッター機能を小形化して設けることが可能になる。また2次元アレイ化したレンズすべてを高速度に個別に光路開閉を制御できる。   Therefore, if the magnetization direction of the transparent magnetic material is changed by a magnetic coil or the like, the shutter speed of about 1/2000 seconds can be increased to about 1/1000000000 seconds and about 500,000 times with the conventional mechanical shutter. Have Furthermore, the variation in opening / closing time and the vibration due to the contact of the shutter blade that opens and closes, which is a problem of the conventional mechanical shutter, are eliminated. It is possible to provide a mechanical shutter function with a reduced size. In addition, it is possible to individually control the opening and closing of the optical path of all the two-dimensional arrayed lenses at high speed.

この光学素子に偏光光源例えば、偏光発光LDからの偏光を入射すると、偏光面は磁化方向によって進行方向(光軸)に対して右又は左に回転する。これはファラデー効果といわれる現象である。
本発明では透明磁性体を磁化する機構を設けたために、このようにレンズ機能を有する透明磁性体を透過する光の偏光面を回転することができる。この透明磁性体の透過光を、偏光子を有する受光装置で受光する場合に、右回転した偏光か左回転した偏光かによって受光をスイッチング(受光有り、受光無し)することができる。
When polarized light from a polarized light source, for example, a polarized light emitting LD, enters the optical element, the polarization plane rotates to the right or left with respect to the traveling direction (optical axis) depending on the magnetization direction. This is a phenomenon called the Faraday effect.
In the present invention, since a mechanism for magnetizing the transparent magnetic material is provided, the polarization plane of light passing through the transparent magnetic material having a lens function can be rotated in this way. When the light transmitted through the transparent magnetic material is received by a light receiving device having a polarizer, light reception can be switched (with or without light reception) depending on whether it is right-handed polarized light or left-handed polarized light.

なお、この場合の透明磁性体のファラデー回転角は大きい方がS/Nが良いので、透明磁性体としてチタニアナノシートを用いた場合には、ナノシートの配列性を向上させることが重要になり、例えばレンズ形成時には3〜15テスラ程度の磁界を基板面に平行または垂直に印加するとか、基板面の水に対する接触角を5°程度に低下させるとかの対策が必要になる。また、チタニアナノシートを用いた場合には、支持体なしで凹凸形状に形成することが可能である。   In this case, since the S / N is better when the Faraday rotation angle of the transparent magnetic material is larger, it is important to improve the arrangement of the nanosheets when the titania nanosheet is used as the transparent magnetic material, for example, At the time of lens formation, it is necessary to take measures such as applying a magnetic field of about 3 to 15 Tesla in parallel or perpendicular to the substrate surface, or reducing the contact angle of the substrate surface with water to about 5 °. Moreover, when a titania nanosheet is used, it can be formed in an uneven shape without a support.

本発明における透明磁性体は、凹凸形状が好ましくは連続的に変化するものであるが、これ以外に、階段状即ち格子状に変化させて、レンズ機能を持たせることも可能である。凹凸は波状や椀状に形成して用いることも可能である。また、磁界印加方向は必ずしも光の進行方向(光軸)に対して平行としなくても、3つ目のモードとして印加しないモードを加えてもよく、この場合には、回転が右または左方向に加えて、回転がほぼゼロというモードを加えた透過、遮断、中間透過などの利用形態が可能となる。   The transparent magnetic material in the present invention preferably has a concavo-convex shape that changes continuously, but in addition to this, it can be changed into a stepped shape, that is, a lattice shape, to have a lens function. The unevenness can be used by forming it into a wave shape or a hook shape. Further, the magnetic field application direction may not necessarily be parallel to the light traveling direction (optical axis), or a mode not applied as the third mode may be added. In this case, the rotation is in the right or left direction. In addition, it is possible to use modes such as transmission, blocking, and intermediate transmission with a mode in which the rotation is substantially zero.

上記のとおり、本発明の光学素子は必ずしも透明支持体は必須ではないが、透明支持体上に本発明の透明磁性体からなるレンズを形成する場合がある。この透明支持体の材料としては、一般に石英ガラス、GGG、サファイア、リチウムタンタレート、結晶化透明ガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、単結晶シリコン、Al、Al・MgO、MgO・LiF、Y・LiF、BeO、ZrO、Y、ThO・CaOなどの透明セラミック材料、無機シリコン等の無機材料を用い得る。 As described above, in the optical element of the present invention, a transparent support is not always essential, but a lens made of the transparent magnetic material of the present invention may be formed on the transparent support. As a material of the transparent support, generally, quartz glass, GGG, sapphire, lithium tantalate, crystallized transparent glass, Pyrex (registered trademark) glass, single crystal silicon, Al 2 O 3 , Al 2 O 3 .MgO, MgO · LiF, Y 2 O 3 · LiF, BeO, transparent ceramic material such as ZrO 2, Y 2 O 3, ThO 2 · CaO, inorganic materials such as inorganic silicon may be used.

また偏光子層としては、各種の市販の偏光フィルムを用いることができる。偏光フィルムには大別して多ハロゲン偏光フィルム、染料偏光フィルム、金属偏光フィルムなどがあるがこれらに限定されるものではない。また以下の偏光子を用いることもできる。
(1)特開平01−93702号公報記載の偏光子
強磁性体微粒子からなる多数の棒状素子を含む偏光層支持体表面に、一定方向に配列して固着形成することにより、製造が容易でかつ光学的特性の優れた偏光板である。
(2)ワイヤグリッド偏光子(東京農工大学 佐藤勝昭著「現代人の物理−光と磁気」(朝倉書店)1988年出版、ページ103に記載。)
透明支持体に微小な間隔で金やアルミニウムの線を引いたものある。この場合、線の間隔d、波長をλとすると、λ≫dの波長の光に対して、透過光は線に垂直な振動面を持つほぼ完全な直線偏光に成ることを利用している。偏光度は97%程度と言われている。
(3)コーニング社製「ポーラコア」
長く延伸させた金属銀をガラス自身の中に一方向に配列させることにより、偏光特性を持たせたガラスで、従来の有機物偏光素子と異なり耐熱性、耐湿性、耐化学薬品性、レーザーに対する耐性に非常に優れている。赤外線用が主であるが、特殊仕様として可視光用がある。
(4)積層型偏光子
東北大学電気通信研究所の川上彰二郎教授が1991年頃に発表したもので、可視光用にはRFスパッタリング法で、6〜8nmの厚みのGe(ゲルマニウム)と、1μm厚みのSiO2を交互に60μm厚みになるまで積層して作製している。0.6μmの波長で測定した性能指数αTE/αTM(TE波とTM波に対する消衰定数の比)は400近く、0.8μmの波長で測定した消光比は35dB、挿入損失は0.18dBであり、可視光に対して十分なものである。
(5)反射型偏光子
住友3M株式会社が販売しているものである。屈折率の異なる薄膜を何百層も重ねて積層し、層間で反射・透過を繰り返して偏光を取り出す。SとP偏光の内一方を反射して、一方を通過させるために反射型という。全厚みは100μm程度である。吸収タイプに比較して、反射するので画像が明るく感じられる。米Moxtek社のアルミニウム細線を周期的に並べた、ワイヤグリッドタイプの反射型偏光子もある。
(6)偏光ビームスプリッター
光束を2本以上のビームに分割又は合成する光学素子をビームスプリッターという。その中でも分岐された2光束の偏光方向が異なるように分割するものを偏光ビームスプリッターという。2個の直角プリズムを接着した面に誘電体多層膜をコートしたものが一般的であり、P偏光成分は透過し、S偏光成分は90度反射するようになっている。透過率、反射率ともに98%以上のものが得られる。他には特殊なグレーティングを用いたようなものもある。
(7)偏光プリズム
1軸性結晶は、光学軸方向に垂直に振動する常光線と光学軸を含む主断面内に振動方向をもつ異常光線では異なった屈折率を持つので、1軸性結晶から切り出した2つのプリズムを組み合わせると、振動面の異なる光を分離することができる。ニコルプリズム、グラントムソンプリズム、グランフーコープリズム、グランテーラープリズム、ロションプリズム、ウォーラストンプリズムなどがある。
(8)回折格子
回折格子はピッチを小さくしていけば、TE波とTM波の透過率が異なり、偏光子として機能する。偏光子とは呼ばないが、偏光子機能を有するので、本発明に偏光子として用いることが可能である。
Various commercially available polarizing films can be used as the polarizer layer. The polarizing film is roughly classified into a multi-halogen polarizing film, a dye polarizing film, a metal polarizing film, and the like, but is not limited thereto. The following polarizers can also be used.
(1) Polarizer described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 01-93702 It is easy to manufacture by arranging and fixing in a fixed direction on the surface of a polarizing layer support including a large number of rod-shaped elements made of ferromagnetic fine particles. It is a polarizing plate with excellent optical characteristics.
(2) Wire grid polarizer (written by Tokyo University of Agriculture and Technology, Katsuaki Sato “Physics of Modern People: Light and Magnetism” (Asakura Shoten) published in 1988, page 103)
There is a transparent support with gold or aluminum lines drawn at minute intervals. In this case, if the distance d between the lines and the wavelength are λ, it is utilized that the transmitted light is almost completely linearly polarized light having a vibration plane perpendicular to the line for light having a wavelength of λ >> d. The degree of polarization is said to be about 97%.
(3) “Polacore” manufactured by Corning
Unlike conventional organic polarizing elements, heat-resistant, moisture-resistant, chemical-resistant, and laser-resistant glass that has polarization characteristics by aligning long stretched metallic silver in the glass itself in one direction Very good. Infrared is mainly used, but there is a special specification for visible light.
(4) Multilayer polarizer Produced by Prof. Shojiro Kawakami of Tohoku University Research Institute of Electrical Communication around 1991. For visible light, RF sputtering is used to form Ge (germanium) with a thickness of 6-8 nm and 1 μm. The layers are made by alternately laminating SiO 2 having a thickness of 60 μm. The figure of merit αTE / αTM (ratio of extinction constant to TE wave and TM wave) measured at a wavelength of 0.6 μm is close to 400, the extinction ratio measured at a wavelength of 0.8 μm is 35 dB, and the insertion loss is 0.18 dB. Yes, enough for visible light.
(5) Reflective polarizer This is sold by Sumitomo 3M Co., Ltd. Hundreds of thin films with different refractive indexes are stacked and stacked, and the polarized light is extracted by repeating reflection and transmission between the layers. It is called a reflection type in order to reflect one of S and P polarized light and allow one to pass. The total thickness is about 100 μm. Compared to the absorption type, the image is felt bright because it is reflected. There is also a wire-grid reflective polarizer with periodic arrangement of aluminum thin wires from Moxtek.
(6) Polarizing beam splitter An optical element that splits or combines a light beam into two or more beams is called a beam splitter. Among them, the one that splits the branched two light beams so that the polarization directions are different is called a polarization beam splitter. In general, a surface in which two right-angle prisms are bonded is coated with a dielectric multilayer film. The P-polarized component is transmitted and the S-polarized component is reflected by 90 degrees. A transmittance and a reflectance of 98% or more can be obtained. Others use special gratings.
(7) Polarizing prism A uniaxial crystal has a different refractive index between an ordinary ray that vibrates perpendicularly to the optical axis direction and an extraordinary ray that has a vibration direction within the main cross section including the optical axis. When two cut out prisms are combined, light having different vibration surfaces can be separated. There are Nicol prism, Gran Thompson prism, Gran Foucault prism, Grand Taylor prism, Lotion prism, Wollaston prism and so on.
(8) Diffraction grating If the pitch of the diffraction grating is reduced, the transmittance of TE wave and TM wave will be different and function as a polarizer. Although not called a polarizer, it has a polarizer function and can be used as a polarizer in the present invention.

図3は、透明磁性体上ないしその近傍に、更に偏光子と磁気コイルを設けて、この磁気コイルへの通電と停電によって光を透過または遮断する本発明の光学素子の構成例を示す。   FIG. 3 shows a configuration example of the optical element of the present invention in which a polarizer and a magnetic coil are further provided on or in the vicinity of a transparent magnetic material, and light is transmitted or blocked by energization and power failure of the magnetic coil.

磁気コイルは光の通過経路の周りにコイルを配線することが、磁界の均一性、磁界分布制御などから好ましい。コイルの外形形状は、円や矩形など適宜選択される。偏光子は曲面としてまた平面として用いることができ、使用枚数は透明磁性体の前後に2枚用いるか、入射光に直線偏光を用いる場合などは、1枚でも構わないが、スイッチング機能を得るためには、透明磁性体通過後に配置する必要がある。   For the magnetic coil, it is preferable to wire the coil around the light passage path from the viewpoint of uniformity of magnetic field, control of magnetic field distribution, and the like. The outer shape of the coil is selected as appropriate, such as a circle or a rectangle. The polarizer can be used as a curved surface or as a flat surface. The number of the polarizers used may be two before and after the transparent magnetic material, or one may be used when the linearly polarized light is used for the incident light. It is necessary to dispose after passing through the transparent magnetic material.

磁気コイルの作製方法としては、導細線を直接パターン化して接着していく方法やインクジェット法を用いて印刷するように導細線を形成する方法、更にはメッキ法(特開2003−124047号公報などに記載)を用いて形成する方法などが適宜用いられる。導細線の幅は目的によるが、5〜50μmで用いられる。   As a method for producing a magnetic coil, a method of directly patterning and bonding a conductive thin wire, a method of forming a conductive thin wire so as to be printed using an ink jet method, and a plating method (JP 2003-1224047 A, etc.) Or the like. Although the width | variety of a conducting wire is based on the objective, it is used at 5-50 micrometers.

本発明では磁気コイルに通電するかまたは通電しないかによって、また通電方向を正方向か負方向かと変化させることによって、発生磁場の方向を制御し透明磁性体の磁化方向(磁化強度も含めて)を変化させることにより、偏光面の回転方向や角度を変化させる。この場合従来と異なり、偏光は透明磁性体の形状によって屈折し、方向を曲げられている。しかも偏光のスイッチングスピードは、電気回路などにも因るが、数マイクロ秒から数ナノ秒と高速度であり、シャッタースピードを向上させることができる。
その他に、既述のように、従来の機械式シャッターの課題であった開閉するシャッター羽根の接触による、開閉時間のバラツキや振動を無くすことができる。また機械式シャッター機能を小形化して設けることができる。
In the present invention, the direction of the generated magnetic field is controlled by changing whether the magnetic coil is energized or not, and the energizing direction is positive or negative, thereby controlling the magnetization direction of the transparent magnetic material (including the magnetization intensity). By changing the rotation direction and angle of the polarization plane. In this case, unlike the conventional case, the polarized light is refracted by the shape of the transparent magnetic material and the direction is bent. Moreover, although the polarization switching speed depends on the electric circuit and the like, it is as high as several microseconds to several nanoseconds, and the shutter speed can be improved.
In addition, as described above, it is possible to eliminate variations in opening / closing time and vibration due to contact of the shutter blades that are opened and closed, which has been a problem with conventional mechanical shutters. Further, the mechanical shutter function can be provided with a reduced size.

本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚変化に応じて、透明磁性体を磁化する機構が磁場勾配を有するものであることが好ましい(請求項3に記載の発明)。
透明磁性体を磁化する機構例えば磁気コイルは、1つの光軸に対して1つである必要は無く、磁場分布を制御するために複数用いられても構わない。特に一般的なレンズ形状では中心と周囲では透明磁性体の肉厚が異なり、レンズ中を通過する光路長が異なる為に、透過光のファラデー回転角も異なるので、コイル構成(例えばコイル中心側と外側の巻き数を変化させる。中心に近いほど巻き数を多くしたり、逆に少なくするような変化を加えて、発生磁界分布を中心側と外側とで変化させることができる。コイル中心側と外側のコイルを個別に設けて、通電量を変化させるような磁場強度分布変化付加方法もある)や、各種形状の高透磁率材料を追加したりして回転角が一定となるように発生磁界を補正する必要がある。凹凸形状を有する透明磁性体も複数形成することも構わない。
なお、透明磁性体が厚い部分に対しては印加磁界強度が弱くなり、薄い部分に対しては強くすることにより、ファラデー回転角を利用面内で均一化することは言うまでもない。
In the optical element of the present invention, it is preferable that the mechanism for magnetizing the transparent magnetic body has a magnetic field gradient according to the continuous thickness change of the concave or convex transparent magnetic body (claim 3). Invention).
A mechanism for magnetizing the transparent magnetic material, such as a magnetic coil, is not necessarily required for one optical axis, and a plurality of mechanisms may be used for controlling the magnetic field distribution. In particular, in the general lens shape, the thickness of the transparent magnetic material is different between the center and the periphery, and the optical path length passing through the lens is different, so the Faraday rotation angle of the transmitted light is also different. By changing the number of turns on the outside and increasing the number of turns closer to the center or on the contrary, the generated magnetic field distribution can be changed between the center side and the outside. There is also a magnetic field strength distribution change addition method that changes the amount of energization by providing a separate outer coil), or by adding a high permeability material of various shapes to generate a magnetic field so that the rotation angle is constant Need to be corrected. A plurality of transparent magnetic bodies having a concavo-convex shape may be formed.
Needless to say, the Faraday rotation angle is made uniform in the utilization plane by weakening the applied magnetic field strength for the thick transparent magnetic material and strengthening the thin magnetic material.

本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚増加に対応して、チタニアナノシート即ち、化学式:Ti2−X (ただし、M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも1種の遷移金属、0<x<2)における遷移金属の置換量を低減させるものであることが好ましい(請求項4に記載の発明)。
補正の方法としては、このように印加する磁場分布を用いる方法と、透明磁性体の肉厚増加とは逆に、置換する遷移金属の量を低減させる方法もある。
元素置換方法に関しては、チタニアナノシートの製造方法において説明したように、出発化合物であるレピトクロサイト型チタン酸塩のTi格子位置に、希望する遷移金属元素を置換した層状チタン酸化物Ti2−Xを用いればよい。具体的な置換例として、FeとCoを同一材料中で同時に置換したTi1.5Fe0.2Co0.3の例を実施例1で説明する。
The optical element of the present invention corresponds to a continuous increase in thickness of a transparent magnetic material having a concave or convex shape, that is, a titania nanosheet, that is, a chemical formula: Ti 2-X M X O 4 (where M = V, Cr, It is preferable to reduce the substitution amount of the transition metal in at least one transition metal selected from Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, 0 <x <2) (the invention according to claim 4).
As a correction method, there are a method using the magnetic field distribution applied in this way and a method of reducing the amount of the transition metal to be replaced, contrary to the increase in the thickness of the transparent magnetic material.
As for the element substitution method, as described in the method for producing titania nanosheets, the layered titanium oxide Ti 2-X in which the desired transition metal element is substituted at the Ti lattice position of the lepitocrosite type titanate as the starting compound. M X O 4 may be used. As a specific substitution example, an example of Ti 1.5 Fe 0.2 Co 0.3 O 4 in which Fe and Co are simultaneously substituted in the same material will be described in Example 1.

本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体を、透明支持体上に規則的な2次元配列として設けたものであってもよい(請求項5に記載の発明)。これの構成の1例を図4および図6に示す。
図6に示すように、透明支持体表面を加工した後、加工部位に透明磁性体を設けて(例えば透明磁性体の分散液を流し込んだ後で乾燥する)、支持体と磁性体を一体化して用いてもよい。透明支持体表面の加工は透明プラスチックを用いた所謂成型法によって形成し、透明磁性体の分散液を加工部位中に入れて乾燥させて作製することが実施可能である。図6に示した「光の通過方向」の矢印のように、上下どちらから光を入射させるかは適宜目的によって選択される。このような構成にすると、光通信分野やプロジェクターに置けるような画像形成分野において、画像を拡大や縮小したり、投影したり遮断したり、新たにレンズ機構を用いなくてもよいので、装置をコンパクトに作製できる。
The optical element of the present invention may be one in which a transparent magnetic body having a concave or convex shape is provided as a regular two-dimensional array on a transparent support (the invention according to claim 5). An example of this configuration is shown in FIGS.
As shown in FIG. 6, after processing the surface of the transparent support, a transparent magnetic material is provided at the processing site (for example, a dispersion of transparent magnetic material is poured and then dried), and the support and the magnetic material are integrated. May be used. The surface of the transparent support can be processed by a so-called molding method using a transparent plastic, and the dispersion of the transparent magnetic material can be put into the processing site and dried. As indicated by the arrow of “light passing direction” shown in FIG. 6, whether light is incident from above or below is appropriately selected according to the purpose. With such a configuration, in the optical communication field or the image forming field that can be placed on a projector, it is not necessary to enlarge or reduce the image, to project or block the image, or to use a new lens mechanism. Can be made compact.

本発明の光学素子は、この光学素子の入射光側に偏光変換素子を配置して用いるものであってもよい(請求項6に記載の発明)。
表面が少なくとも凹または凸形状を有する透明磁性体と、該透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とが、この順に光路に沿って設けられただけの光学素子(請求項1)は直線偏光の偏光面を回転させる機能は有するが、円偏光を直線偏光とする偏光子機能は有していない。本発明の光学素子の入射光側に偏光変換素子を配置して用いるものは、電気的に光を高速度にスイッチングする電気式レンズシャッターとして有用である。
The optical element of the present invention may be one in which a polarization conversion element is disposed on the incident light side of the optical element (the invention according to claim 6).
An optical element (Claim 1) in which a transparent magnetic body having at least a concave or convex surface, a mechanism for magnetizing the transparent magnetic body, and a polarizer are provided along the optical path in this order is a linearly polarized light. However, it does not have a polarizer function for converting circularly polarized light into linearly polarized light. The optical element of the present invention having a polarization conversion element arranged on the incident light side is useful as an electric lens shutter that electrically switches light at a high speed.

従来の偏光子をそのまま用いたのでは、光利用効率と偏光の分離という課題が残り、レンズとしての利用が出来ない。本発明(請求項6)では偏光子機能を有するものとして偏光変換素子を光学素子の前方に設けることを特徴とする。偏光子では最大でも50%の光利用効率しか得られないが、この偏光変換素子を用いれば、70%以上の光利用効率となり、カメラなどの光量が重要となるレンズなどにも適応性が向上することとなった。   If a conventional polarizer is used as it is, the problems of light utilization efficiency and polarization separation remain, and the lens cannot be used. The present invention (Claim 6) is characterized in that a polarization conversion element is provided in front of the optical element as having a polarizer function. A polarizer can only achieve 50% light utilization efficiency at most, but if this polarization conversion element is used, the light utilization efficiency is 70% or more, and the adaptability is also improved for lenses such as cameras where the amount of light is important. It was decided to do.

ここで、偏光の分離について従来の偏光変換素子(図5)を用いて説明する。従来の偏光変換は図5に示すように、直交する2つの直線偏光S、Pは複屈折材料によって分離された後、一方の直線偏光が位相差板によって90°回転されて同一偏光面を有する偏光となって出射されるが、出射位置が異なるために入射光の情報、例えば光の強度は分離されるという不具合があった。   Here, polarization separation will be described using a conventional polarization conversion element (FIG. 5). As shown in FIG. 5, in the conventional polarization conversion, two orthogonal linearly polarized lights S and P are separated by a birefringent material, and then one linearly polarized light is rotated by 90 ° by a phase difference plate to have the same polarization plane. Although it is emitted as polarized light, there is a problem that information on incident light, for example, light intensity, is separated because the emission position is different.

本発明ではこの不具合を2枚の透明磁性層を張り合わせて作製された積層型偏光変換素子を用いることで解消し、これによって本発明の光学素子はより光学レンズとしての有用性が大幅に向上されている。
図7に、本発明において有用な積層型偏光変換素子の構成を示す。
積層型偏光変換素子30は、偏光変換素子12が上下にペアーで重ね合わされており、各素子の周期的密度の斜め繰り返し層構造は、角度が基板11の主面に対して等角度でかつ逆方向であり、素子入射面で分離した2つの直線偏光(EeとEo)が、素子面出射時に偏光面角度差を90°としたものである。
In the present invention, this inconvenience is solved by using a laminated polarization conversion element produced by laminating two transparent magnetic layers, and the usefulness of the optical element of the present invention as an optical lens is greatly improved. ing.
FIG. 7 shows a configuration of a laminated polarization conversion element useful in the present invention.
In the laminated polarization conversion element 30, the polarization conversion elements 12 are stacked in pairs on the top and bottom, and the oblique repeating layer structure of the periodic density of each element is equiangular with respect to the main surface of the substrate 11 and reverse. The two linearly polarized lights (Ee and Eo) separated in the direction of the element incident surface have a polarization plane angle difference of 90 ° when emitted from the element surface.

偏光変換素子12を上下にペアーで重ね合わされることにより、1つの偏光変換素子12だけを用いた場合と異なり、分離した偏光は直進した偏光と出射口で必ず重なるという特徴が現れる。これにより入射光が有した情報、例えばカラー画像の色情報や濃度情報、階調性情報などが分離することなく利用することができる。2層を合わせる各表面は光散乱が起こらないように、十分に留意する必要がある。例えば、鏡面状態での張り合わせや、連続製膜などが好ましい。また、偏光変換素子10のペアーの数は複数でも良く、複数にすれば各積層の偏光変換素子12の厚みを薄くすることができる。   Unlike the case where only one polarization conversion element 12 is used, when the polarization conversion elements 12 are overlapped in a pair in the upper and lower directions, the characteristic that the separated polarized light always overlaps with the linearly polarized light at the exit opening appears. As a result, information that incident light has, such as color information, density information, and gradation information of a color image, can be used without being separated. Care must be taken to avoid light scattering on each surface that joins the two layers. For example, lamination in a mirror state or continuous film formation is preferable. Further, the number of pairs of the polarization conversion elements 10 may be plural, and if the number is plural, the thickness of the polarization conversion elements 12 of each stacked layer can be reduced.

また、積層型偏光変換素子30において、偏光変換素子12が上下にペアーで重ね合わされた界面は、光の散乱を減少させるために平面平滑性が重要である。この光散乱をできる限り無くす手段として、2つの偏光変換素子12の界面に非磁性で透明な膜21を設けることにより大幅に光散乱を無くして、光の利用効率を向上させ得ることができる。透明非磁性膜21には、例えば下記無機物や有機物など適宜用いられる。   Further, in the stacked polarization conversion element 30, planar smoothness is important for the interface where the polarization conversion elements 12 are superposed in pairs in order to reduce light scattering. As a means for eliminating this light scattering as much as possible, by providing a non-magnetic and transparent film 21 at the interface between the two polarization conversion elements 12, light scattering can be largely eliminated and light utilization efficiency can be improved. For the transparent nonmagnetic film 21, for example, the following inorganic materials and organic materials are appropriately used.

すなわち、無機物としては、透明でかつ熱的に安定な物質が適し、例えば金属や半金属の酸化物、窒化物、カルコゲン化物、フッ化物、炭化物、及びこれらの混合物であり、具体的にはSiO、SiO、Al、GeO、In、Ta、TeO、TiO、MoO、WO、ZrO、Si、Si、AlN、BN、TiN、ZnS、CdS、CdSe、ZnSe、ZnTe、AgF,PbF、MnF、NiF、SiCなどの単体あるいはこれらの混合物が挙げられる。 That is, as the inorganic substance, a transparent and thermally stable substance is suitable, for example, a metal or semi-metal oxide, nitride, chalcogenide, fluoride, carbide, and a mixture thereof, specifically SiO. 2 , SiO, Al 2 O 3 , GeO 2 , In 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TeO 2 , TiO 2 , MoO 3 , WO 3 , ZrO 2 , Si 3 N 4 , Si 3 N 4 , AlN, BN , TiN, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, ZnTe, AgF, PbF 2 , MnF 2 , NiF 2 , SiC, and the like, or a mixture thereof.

また、有機物としては、例えば油脂化合物、糖化合物、ペプチド化合物などの天然物、酵素、海洋天然物などの生体内物質、合成樹脂、エラストマー化合物などの高分子化合物、コロイド化合物、包接化合物などの機能性分子などが挙げられる。特に、PVA(ポリビニルアルコール)は有用である。有機物からなる透明非磁性膜21を数μmの厚みで塗布する方法は、各々逆勾配を有するペアーの積層膜12を接合するという目的も合わせて達成することができて好ましい。この透明磁性膜21の屈折率は低い方が好ましい。また、厚みには特に制限はないが、薄い方が好ましく膜厚の均一性をもたせることは重要である。   Organic substances include, for example, natural products such as oil and fat compounds, sugar compounds and peptide compounds, in-vivo materials such as enzymes and marine natural products, polymer compounds such as synthetic resins and elastomer compounds, colloidal compounds, and inclusion compounds. Examples include functional molecules. In particular, PVA (polyvinyl alcohol) is useful. The method of applying the transparent non-magnetic film 21 made of an organic material with a thickness of several μm is preferable because it can achieve the purpose of joining the pair of laminated films 12 each having a reverse gradient. The transparent magnetic film 21 preferably has a low refractive index. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular in thickness, The thinner one is preferable and it is important to give the uniformity of a film thickness.

この偏光変換素子を用いる本発明の全体の構成例を図8に示す。   An example of the overall configuration of the present invention using this polarization conversion element is shown in FIG.

本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体を、透明支持体の陥没部位に設けて、一体化して用いるのが好ましい(請求項7に記載の発明)。
図6に示すように、透明支持体表面に凹凸形状を加工した後、加工部位に透明磁性体を設けて、支持体と磁性体を一体化して用いてもよい。この場合の光の透過方向は図6の上下どちらの方向に対しても利用可能である。
In the optical element of the present invention, it is preferable that a transparent magnetic body having a concave or convex shape is provided in a depressed portion of the transparent support and used integrally (invention according to claim 7).
As shown in FIG. 6, after processing an uneven | corrugated shape on the transparent support body surface, a transparent magnetic body may be provided in a process site | part and a support body and a magnetic body may be integrated and used. In this case, the light transmission direction can be used in both the upper and lower directions in FIG.

本発明の表示装置は、上記の光学素子と、光源と、透明磁性体を磁化する機構の駆動回路とを設けたものである(請求項8に記載の発明)。
この好ましい構成例としては、複数の光学素子を図4(a)に示したように配列した後、この素子の透明磁性体を個別に磁化する機構(例えば磁気コイル)の駆動回路(図9)を設けて、光源(白色光源が好ましいが複数のレーザー光源でも構わない。光軸が別である反射光を用いてもよい)からの各素子への光を個別に透過又は遮断して(半開でもよい)、投影用のスクリーンに光源からの光を拡大(縮小も可能)投影すれば、表示装置として利用することができる。このような構成では、従来のような大掛かりなレンズ系や、シャッターを別途設ける必要が無いので、コンパクトな構成が可能となって有用性が大いに高められる。RGB用素子を組にして1画素用に設ければカラー画像は容易に得られるし、特にシャッター速度(開閉速度)が前記したように、電子スピンの反転を用いるので高速である点が大きな特徴となる。なおスクリーンは必須ではなく、適宜壁面などの白色部位を用いることができる。
A display device of the present invention is provided with the above-described optical element, a light source, and a drive circuit for a mechanism that magnetizes a transparent magnetic material (the invention according to claim 8).
As a preferred configuration example, after a plurality of optical elements are arranged as shown in FIG. 4A, a drive circuit (FIG. 9) for a mechanism (for example, a magnetic coil) that individually magnetizes the transparent magnetic bodies of the elements. The light from each light source (a white light source is preferable, but a plurality of laser light sources may be used. Reflected light having a different optical axis may be used) is individually transmitted or blocked (half-open). However, if the light from the light source is projected on the projection screen in an enlarged manner (which can be reduced), it can be used as a display device. In such a configuration, it is not necessary to separately provide a large lens system and a shutter as in the prior art, so that a compact configuration is possible and the usefulness is greatly enhanced. A color image can be easily obtained by providing RGB elements as a set for one pixel, and the shutter speed (opening / closing speed) is particularly high because the electron spin inversion is used as described above. It becomes. The screen is not essential, and a white part such as a wall surface can be used as appropriate.

以下に実施例をあげて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

〔実施例1〕
まず、以下のようにしてチタニアナノシートとポリマーからなる積層膜を形成した。
炭酸カリウム(KCO)、二酸化チタン(TiO)、酸化コバルト(CoO)、酸化鉄(Fe)をK0.8Ti1.5Fe0.2Co0.3のモル比になるように秤量、混合し、800℃で40時間焼成して磁性元素置換チタン酸カリウム(K0.8Ti1.5Fe0.2Co0.3)を合成した。合成した磁性元素置換チタン酸カリウムを粉末1gに対して1規定の塩酸溶液100cmの割合で接触させ、時々撹拌しながら室温で反応させた。1日毎に新しい塩酸溶液に取り替える操作を3回繰り返した後、固相を濾過水洗して風乾した。
得られた層状チタン酸粉末(Ti1.5Fe0.2Co0.3)0.5gをテトラブチルアンモニウム水酸化物溶液100cmに加えて室温で1週間振盪(150rpm)し、乳白色のチタニアゾルを得た。
以下では、H0.8Ti1.5Fe0.2Co0.3・nHOをCoFe同時置換ナノシートと表す。この分散液に20重量%の固形分濃度となるゼラチン溶解液を混合した。この液をCoFe同時置換ナノシート分散液と表す。
図6に示すような半円型にくり抜いた石英ガラスの中に、まずシリコン系離型剤をコーティングした後に、上記分散液を入れ乾燥させる作業を、固体表面がほぼ図の表面A点になるまで繰り返した。
半円形透明磁性体の中心における最大厚みは5mmで、円の外形は30mmとした。半円形透明磁性体に対する光の通過方向は図中断面図に矢印で示したように上下である。石英ガラスと透明磁性体は分離することなく、そのまま用いた。透明磁性体側には透明なシリコーン樹脂からなる保護膜を5μmの厚みに形成した。
次いでこの保護膜の上から、上記半円形透明磁性体の円周に沿って外形30μmのニクロム被覆銅線を300回巻いてコイルを形成した。半円形透明磁性体の厚みとコイルによる磁束密度の積が、光通過面ですべて同一となるように計算で求めて作製した。偏光子を半円形透明磁性体の前および半円形透明磁性体裏側の平面に配置した。偏光子の偏光軸は同一方向に揃えて配置した。
図3の右側から左側に進む光は偏光子、透明磁性体(磁気コイル)を通過してスクリーンに上に到達した。
次いで磁気コイルに直流電流を0.1ミリ秒(1/10000秒)、100mA流して透明磁性体を磁化した後には、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ90°回転させた結果半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
[Example 1]
First, a laminated film composed of a titania nanosheet and a polymer was formed as follows.
Potassium carbonate (K 2 CO 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), cobalt oxide (CoO), and iron oxide (Fe 2 O 3 ) are mixed with K 0.8 Ti 1.5 Fe 0.2 Co 0.3 O 4 . Weighing and mixing so as to obtain a molar ratio, followed by firing at 800 ° C. for 40 hours to synthesize magnetic element-substituted potassium titanate (K 0.8 Ti 1.5 Fe 0.2 Co 0.3 O 4 ). The synthesized magnetic element-substituted potassium titanate was brought into contact with 1 g of powder at a rate of 100 cm 3 of 1N hydrochloric acid solution and allowed to react at room temperature with occasional stirring. The operation of replacing with a fresh hydrochloric acid solution every day was repeated three times, and then the solid phase was washed with filtered water and air-dried.
0.5 g of the obtained layered titanic acid powder (Ti 1.5 Fe 0.2 Co 0.3 O 4 ) was added to 100 cm 3 of tetrabutylammonium hydroxide solution and shaken (150 rpm) at room temperature for 1 week to give a milky white color The titania sol was obtained.
In the following, it represents the H 0.8 Ti 1.5 Fe 0.2 Co 0.3 O 4 · nH 2 O and CoFe simultaneous substitution nanosheet. A gelatin solution having a solid content of 20% by weight was mixed with this dispersion. This liquid is referred to as a CoFe simultaneous substitution nanosheet dispersion.
In the quartz glass hollowed out into a semicircular shape as shown in FIG. 6, first, after coating a silicon mold release agent, the above dispersion is put and dried, and the solid surface becomes the surface A in the figure. Repeat until.
The maximum thickness at the center of the semicircular transparent magnetic body was 5 mm, and the outer shape of the circle was 30 mm. The light passing direction with respect to the semicircular transparent magnetic material is up and down as indicated by arrows in the cross-sectional view in the figure. Quartz glass and transparent magnetic material were used as they were without separation. On the transparent magnetic material side, a protective film made of a transparent silicone resin was formed to a thickness of 5 μm.
Next, a nichrome-coated copper wire having an outer diameter of 30 μm was wound 300 times along the circumference of the semicircular transparent magnetic material from above the protective film to form a coil. The product of the thickness of the semicircular transparent magnetic material and the magnetic flux density by the coil was calculated so that all were the same on the light passage surface. The polarizer was placed in front of the semicircular transparent magnetic material and on the plane behind the semicircular transparent magnetic material. The polarizing axes of the polarizers were arranged in the same direction.
The light traveling from the right side to the left side in FIG. 3 passed through the polarizer and the transparent magnetic material (magnetic coil) and reached the screen.
Next, after magnetizing the transparent magnetic material by applying a direct current of 0.1 millisecond (1/10000 second) to the magnetic coil at 100 mA, no light on the screen was visible. This is because light that has been linearly polarized by the polarizer placed in front is transmitted through the transparent magnetic material and the plane of polarization is rotated by approximately 90 °, so that it cannot pass through the polarizer behind the semicircular transparent magnetic material. It is a result.

〔実施例2〕
立方晶系ガーネット構造を有するTbAl12単結晶を、波長10600nmの炭酸ガスレーザーを用いたフローティング・ゾーン法を用いて作製した。次いでこの常磁性体単結晶を、直径3mmの凹形状を有するレンズ状に研磨加工した。
次いで実施例1と同様にして、外形30μmのニクロム被覆銅線を50回巻いてコイルを形成した。半円形透明磁性体の厚みとコイルによる磁束密度の積が、光通過面ですべて同一となるように計算で求めて作製した。偏光子を半円形透明磁性体の前および半円形透明磁性体裏側の平面に配置した。偏光子の偏光軸は同一方向に揃えて配置した。
図3の右側から左側に進む光は偏光子、透明磁性体(磁気コイル)を通過してスクリーンに上に到達した。
次いで磁気コイルに直流電流を0.1ミリ秒(1/10000秒)、100mA流して透明磁性体を磁化している時間のみ、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が、磁化した透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ90°回転させた結果、半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
[Example 2]
A Tb 3 Al 5 O 12 single crystal having a cubic garnet structure was produced by a floating zone method using a carbon dioxide gas laser having a wavelength of 10600 nm. Next, this paramagnetic single crystal was polished into a lens having a concave shape with a diameter of 3 mm.
Next, in the same manner as in Example 1, a coil was formed by winding a nichrome-coated copper wire having an outer diameter of 30 μm 50 times. The product of the thickness of the semicircular transparent magnetic material and the magnetic flux density by the coil was calculated so that all were the same on the light passage surface. The polarizer was placed in front of the semicircular transparent magnetic material and on the plane behind the semicircular transparent magnetic material. The polarizing axes of the polarizers were arranged in the same direction.
The light traveling from the right side to the left side in FIG. 3 passed through the polarizer and the transparent magnetic material (magnetic coil) and reached the screen.
Next, the light on the screen was not visible at all during the time when the transparent magnetic material was magnetized by applying a direct current of 0.1 millisecond (1/10000 second) to the magnetic coil at 100 mA. This is because the light that has been linearly polarized by the front polarizer passes through the polarizer on the back side of the semicircular transparent magnetic material as a result of passing through the magnetized transparent magnetic material and rotating the polarization plane by approximately 90 °. This is the result of being unable to.

〔実施例3〕
実施例1と同様にして、酸化コバルト及び酸化鉄の混合量を変えて、組成の異なる次の5種類のCoFe同時置換ナノシートを合成した。
1.Ti1.50Fe0.2Co0.30
2.Ti1.48Fe0.2Co0.32
3.Ti1.46Fe0.2Co0.34
4.Ti1.44Fe0.2Co0.36
5.Ti1.42Fe0.2Co0.38
各ナノシートを単独で測定したファラデー回転角は、1から5へと順次大きくなっていた。
次いで図6に示すような半円型にくり抜いた実施例1と同じ石英ガラスの中に、離型剤をコーティングした後に、上記分散液を入れ順次入れて乾燥させる作業を、固体表面がほぼ図の表面A点になるまで繰り返した。この場合作製される円形レンズは中心軸から遠ざかるにつれて、厚みが減少している。
従って、ファラデー回転角は光の通過距離に比例するので、外側ほどファラデー回転角の大きな材料となるように、上記ナノシート分散液の乾燥順は1から順次5へと変えて行なった。作製した光学素子のファラデー回転角分布は、最大で3%以内であった。
次いで実施例1と同様にして光学素子を形成し、磁気コイルに直流電流を0.1ミリ秒(1/10000秒)、100mA流して透明磁性体を磁化した後には、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ90°回転させた結果半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
Example 3
In the same manner as in Example 1, the following five types of CoFe simultaneous substitution nanosheets having different compositions were synthesized by changing the mixing amount of cobalt oxide and iron oxide.
1. Ti 1.50 Fe 0.2 Co 0.30 O 4
2. Ti 1.48 Fe 0.2 Co 0.32 O 4
3. Ti 1.46 Fe 0.2 Co 0.34 O 4
4). Ti 1.44 Fe 0.2 Co 0.36 O 4
5). Ti 1.42 Fe 0.2 Co 0.38 O 4
The Faraday rotation angle measured for each nanosheet independently increased from 1 to 5 sequentially.
Next, after coating the mold release agent in the same quartz glass as in Example 1 hollowed out into a semicircular shape as shown in FIG. It repeated until it became the surface A point of. In this case, the thickness of the circular lens manufactured decreases as the distance from the central axis increases.
Therefore, since the Faraday rotation angle is proportional to the light passing distance, the drying order of the nanosheet dispersion liquid was changed from 1 to 5 in order so that the outer side becomes a material having a larger Faraday rotation angle. The Faraday rotation angle distribution of the manufactured optical element was within 3% at the maximum.
Next, an optical element was formed in the same manner as in Example 1, and after direct current was applied to the magnetic coil for 0.1 millisecond (1/10000 second) and 100 mA to magnetize the transparent magnetic material, the light on the screen was completely I couldn't see it. This is because light that has been linearly polarized by the polarizer placed in front is transmitted through the transparent magnetic material and the plane of polarization is rotated by approximately 90 °, so that it cannot pass through the polarizer behind the semicircular transparent magnetic material. It is a result.

〔実施例4〕
実施例1で作製した光学素子を、全く同様の方法で図4に示すように、支持体上に規則的に2次元配置して光学素子を形成した。半円形透明磁性体の中心における最大厚みは0.5mmで、円の外形は3mmとした。素子の配列周期は縦・横方向ともに4mmとし、縦・横共に100個づつ配列した。各素子には図3に示すような磁気コイルを設け、各磁気コイルには個別にコンデンサーを設けて、電気的駆動回路と接続した。駆動回路は、縦及び横に配線した回路から適宜画像が形成できるように選択して、通電し各光学素子を個別に駆動して、文字画像をスクリーン上に形成した。
Example 4
The optical element produced in Example 1 was regularly arranged two-dimensionally on a support as shown in FIG. 4 by the same method to form an optical element. The maximum thickness at the center of the semicircular transparent magnetic body was 0.5 mm, and the outer shape of the circle was 3 mm. The arrangement period of the elements was 4 mm in both the vertical and horizontal directions, and 100 elements were arranged in both the vertical and horizontal directions. Each element was provided with a magnetic coil as shown in FIG. 3, and each magnetic coil was individually provided with a capacitor and connected to an electric drive circuit. The drive circuit was selected so that an image could be appropriately formed from vertically and horizontally wired circuits, energized, and each optical element was individually driven to form a character image on the screen.

〔実施例5〕
実施例1で作製したCoFe同時置換チタニアナノシートを用いて、以下の順で偏光変換素子を作製した。
表面研磨した後離型剤を塗布した石英ガラス板端部を合わせ、コの字型の容器を作製した。この容器中に上記混合分散液を少量流し込んだ。6テスラの磁場をナノシート面に平行となるように印加し、ゆっくりと乾燥させた後磁場から取り出して100℃で加熱した。更にこの上に上記と同様の方法を繰り返して、ナノシートの積層を膜厚が52μmになるまで行った。この後支持体となる石英ガラス以外の石英ガラス板を剥がして、積層ナノシートを容器から取り出した。積層ナノシートは透明であり、ナノシート面に垂直に波長450nmの光を入射させるとファラデー回転角は17°/μmであった。磁場を印加した場合にはX線回折図における最大強度を示す一次ピーク(ナノシートの積層周期に対応している。回折角は4.7°)の強度は、磁場を印加していない場合に比較して約10倍であり、配列性が向上していた。ファラデー回転角も約3倍に向上していた。
この積層ナノシートに、石英ガラス支持体に対して垂直になるように波長450nmの光を入射させた。分離された偏光は直線偏光で、偏光面は相互に直角であった。分離角は25°であった。ついで1kガウスの磁界を印加できる電磁石を用いて、この積層ナノシートの磁化を膜面に垂直に行なった。上記と同様にして波長450nmの光を入射させた。ナノシートの配列面に垂直に偏向した直線偏向のみが出射した。
上記と全く同様にして、26μm厚の積層ナノシートを作製した。この積層ナノシートと上記で作製した積層ナノシートとを、周期的密度の斜め繰り返し層の傾きが逆になるように配置した後、PVA(ポリビニルアルコール)を用いて、乾燥前に張り合わせた(図7)。
石英ガラス支持体に対して垂直になるように波長450nmの光を入射させた。分離された偏光は直線偏光で偏光面は直角であった。
上記と同様にして積層ナノシートの磁化を行った。上記と同様に石英ガラス支持体に対して垂直になるように波長450nmの光を入射させた。分離された偏光は直線偏光で偏光面は平行であり、偏光変換されていた。
次いで実施例1で作製した光学素子の前に、光軸を揃えて上記偏光変換膜を配置した。実施例1と同様にして、磁気コイルに直流電流を0.1ミリ秒(1/10000)、100mA流して透明磁性体を磁化した後には、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ90°回転させた結果半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
Example 5
Using the CoFe co-substituted titania nanosheet produced in Example 1, a polarization conversion element was produced in the following order.
After the surface was polished, the ends of the quartz glass plate coated with a release agent were combined to produce a U-shaped container. A small amount of the mixed dispersion was poured into this container. A 6 Tesla magnetic field was applied so as to be parallel to the nanosheet surface, dried slowly, then removed from the magnetic field and heated at 100 ° C. Further, the same method as described above was repeated thereon, and the nanosheets were laminated until the film thickness reached 52 μm. Thereafter, the quartz glass plate other than the quartz glass serving as the support was peeled off, and the laminated nanosheet was taken out of the container. The laminated nanosheet was transparent. When light having a wavelength of 450 nm was incident perpendicularly to the nanosheet surface, the Faraday rotation angle was 17 ° / μm. When a magnetic field is applied, the intensity of the primary peak (corresponding to the stacking cycle of the nanosheets. The diffraction angle is 4.7 °) indicating the maximum intensity in the X-ray diffraction diagram is compared with that when no magnetic field is applied. It was about 10 times, and the arrangement was improved. The Faraday rotation angle was also improved about 3 times.
Light having a wavelength of 450 nm was incident on the laminated nanosheet so as to be perpendicular to the quartz glass support. The separated polarized light was linearly polarized light, and the planes of polarization were perpendicular to each other. The separation angle was 25 °. Next, using an electromagnet capable of applying a magnetic field of 1 k Gauss, magnetization of the laminated nanosheet was performed perpendicular to the film surface. In the same manner as described above, light having a wavelength of 450 nm was incident. Only linear deflection deflected perpendicular to the nanosheet array was emitted.
In the same manner as described above, a laminated nanosheet having a thickness of 26 μm was produced. The laminated nanosheet and the laminated nanosheet prepared above were arranged so that the inclination of the obliquely repeating layer having a periodic density was reversed, and then bonded together using PVA (polyvinyl alcohol) before drying (FIG. 7). .
Light having a wavelength of 450 nm was incident so as to be perpendicular to the quartz glass support. The separated polarized light was linearly polarized light and the plane of polarization was perpendicular.
Magnetization of the laminated nanosheet was performed in the same manner as described above. Similarly to the above, light having a wavelength of 450 nm was incident so as to be perpendicular to the quartz glass support. The separated polarized light was linearly polarized light, the polarization plane was parallel, and the polarization was converted.
Next, in front of the optical element produced in Example 1, the polarization conversion film was arranged with the optical axis aligned. In the same manner as in Example 1, no light on the screen could be seen after the transparent magnetic material was magnetized by applying a direct current of 0.1 millisecond (1/10000) to the magnetic coil at 100 mA. This is because light that has been linearly polarized by the polarizer placed in front is transmitted through the transparent magnetic material and the plane of polarization is rotated by approximately 90 °, so that it cannot pass through the polarizer behind the semicircular transparent magnetic material. It is a result.

チタニアナノシートとポリマー層との積層膜の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the laminated film of a titania nanosheet and a polymer layer. チタニアナノシートの吸光度を示す図である。It is a figure which shows the light absorbency of a titania nanosheet. 本発明の光学素子を示す図である。It is a figure which shows the optical element of this invention. 透明磁性体が透明支持体上に規則的な2次元配列されているもので、(a)はその平面図、(b)はその断面図である。A transparent magnetic body is regularly arranged two-dimensionally on a transparent support, (a) is a plan view thereof, and (b) is a sectional view thereof. 従来の偏光変換素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional polarization conversion element. 透明支持体表面の加工部位に透明磁性体を設けたもので、(a)はその平面図、(b)はその断面図である。A transparent magnetic body is provided at a processing site on the surface of the transparent support, wherein (a) is a plan view thereof and (b) is a cross-sectional view thereof. 本発明の実施に有用な偏光変換素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the polarization conversion element useful for implementation of this invention. 偏光変換素子を用いる本発明の光学素子の図である。It is a figure of the optical element of this invention using a polarization conversion element. 光学素子の透明磁性体を個別に磁化する駆動回路を示す図である。It is a figure which shows the drive circuit which magnetizes the transparent magnetic body of an optical element separately.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 偏光変換素子
30 積層型偏光変換素子
21 透明非磁性膜
11 Substrate 12 Polarization Conversion Element 30 Multilayer Polarization Conversion Element 21 Transparent Nonmagnetic Film

Claims (8)

表面が少なくとも凹または凸形状を有する透明磁性体と、該透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とが、この順に光路に沿って設けられてなることを特徴とする光学素子。   An optical element comprising a transparent magnetic body having a concave or convex surface at least, a mechanism for magnetizing the transparent magnetic body, and a polarizer in this order along an optical path. 前記透明磁性体は、化学式:Ti2−X (ただし、M=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも1種の遷移金属、0<x<2)で表されるチタニアナノシートを含有することを特徴する請求項1に記載の光学素子。 The transparent magnetic material has a chemical formula: Ti 2 -X M X O 4 (where M = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, at least one transition metal, 0 <x <2) The optical element of Claim 1 containing the titania nanosheet represented by these. 前記透明磁性体は、肉厚が連続的に変化しており、その連続的肉厚変化に応じて磁化する機構が磁場勾配を有することを特徴する請求項1または2に記載の光学素子。   3. The optical element according to claim 1, wherein the transparent magnetic body has a thickness that continuously changes, and a mechanism that magnetizes in accordance with the continuous thickness change has a magnetic field gradient. 4. 前記透明磁性体は、連続的肉厚の増加に対応して、チタニアナノシートの遷移金属の置換量が低減されることを特徴する請求項2または3に記載の光学素子。   4. The optical element according to claim 2, wherein the transparent magnetic material has a reduced transition metal substitution amount in the titania nanosheet corresponding to a continuous increase in thickness. 前記透明磁性体を透明支持体上に規則的な2次元配列として設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the transparent magnetic body is provided as a regular two-dimensional array on a transparent support. 偏光変換素子を請求項1〜5のいずれかに記載の光学素子の入射光側に配置して用いることを特徴とする光学素子。   An optical element comprising a polarization conversion element arranged on the incident light side of the optical element according to claim 1. 前記透明磁性体を透明支持体の陥没部位に設けることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光学素子。   The optical element according to claim 1, wherein the transparent magnetic body is provided in a depressed portion of the transparent support. 請求項1〜7のいずれかに記載の光学素子に加えて、光源と透明磁性体を磁化する機構の駆動回路とを設けたことを特徴とする表示装置。   A display device comprising a light source and a drive circuit for a mechanism for magnetizing a transparent magnetic material in addition to the optical element according to claim 1.
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