JP2564626B2

JP2564626B2 - 光書き込み型空間光変調器

Info

Publication number: JP2564626B2
Application number: JP63244331A
Authority: JP
Inventors: 國治滝沢; 友紀郡島; 和利沢田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Nippon Hoso Kyokai NHK
Current assignee: AGC Inc; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1996-12-18
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: JPH0293519A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は空間光変調器に係り、特に書込み光を用いて
画像やデータパターンのような２次元情報を入力し、読
出し光を用いてこの情報を２次元的に表示する機能を持
つ光書込み型空間光変調器に関する。

［従来の技術］従来、光書込み型空間光変調器としては以下に示す素
子がある。

（１）文献１（J.D.Margerum,J.Nimoy and S.−Y.Wong:
Applied Physics Letters,Vol.17,No.2（1970）,P.51〜
P.53）には、第６図に示されるように、動的散乱モード
型液晶18と光伝導層17を密着し、その両側に透明電極２
を付着した素子が示されている。なお、同図において、
１は基板、７は書き込み光、8Aは読み出し光、8Bは表示
光、19は直流電源を示している。

（２）文献２（W.P.Bleha,L.T.Lipton,E.W.Avenear,J.G
rinberg,P.G.Reif,D.Casasent,H.B.Brown and B.V.Mark
evitch:Optical Engineering,Vol.17.No.4,（1978）,P.
371−P384）には、第７図に示されるように、45゜ツイ
ストのネマティック液晶23と全反射用誘電体多層膜４と
光吸収層21と光伝導層20（CdS）とを順に密着し、その
両端面に透明電極２を付着した素子が示されている。な
お、同図において、６は交流電源を示している。

（３）文献３（W.L.Baillie:IEE Proceedings,Vol.134,
Pt.J,No.6,（1987）,P.326−P.332）には、第８図に示
されるように、45゜ツイストのネマティック液晶23と全
反射用誘電体多層膜４と光伝導層12（Bi₁₂SiO₂₀結晶）
とを密着し、その両端面に透明電極２を付着した素子が
示されている。

（４）文献４（P.R.Ashley,J.H.Davis and T.K.Oh:Appl
ied Optics,Vol.27,No.9,（1988）,P.1797−P.1802）に
は、第９図に示されるように、90゜ツイストのネマティ
ック液晶25とアルミニウム電極26が付着した光伝導層27
（アモルファスシリコン）とを密着し、その両端面に透
明電極２を付着した素子が示されている。

（５）文献５（G.Moddel.K.M.Johnson and M.A.Handsch
y:SPIE,Vol.754 Optical and Digital Pattern Recogni
tion,（1987）,P.207−P.213）には、第10図に示される
ように、強誘電性液晶28と全反射用誘電体多層膜４と光
伝導層29（Ｐ−ｉ−ｎアモルファスシリコン）とを密着
し、その両端面に透明電極２を付着した素子が示されて
いる。

［発明が解決しようとする課題］前記した従来の光書込み型空間光変調器（１）〜
（５）には、以下に記述する欠点があった。

（１）の素子では動的散乱モード型液晶を用いている
ため、表示画像のコントラスト比（画像の中で最も明
るい部分の光強度I_Bと最も暗い部分の光強度I_Dとの比）
が低い（I_B/I_D＜10）、動作速度が遅い（サイクルタ
イム（ある信号を表示してから次の信号を表示するのに
必要な最小時間）が約２秒）、消費電力がやや大き
い、などの欠点があり、動画像の表示に適合しない。

（２），（３）および（４）の素子ではツイストネマ
ティック液晶を用いているため、以下に示す欠点があ
る。偏光板及び検光板を必要とする。そのため、キ
セノンランプのようにランダムに偏光した光で画像を表
示する場合、表示光の50％以上が偏光板で排除されるた
め、表示画像が暗くなる。偏光板および検光板にはヨ
ウ素を含むポリビニールアルコールフィルムが一般に用
いられるが、この偏光フィルムの光吸収はかなり大きく
（１枚で約30％）、表示画像がさらに暗くなる。また、
前記偏光フィルムは光波長に依存した偏光特性を有す
るため、フルカラーの画像表示では、色バランスが悪い
（特に、偏光板と検光板の偏光方向が互いに直交する状
態で青色光が透過しやすい）、さらに、ツイストネマ
ティック液晶の動作素度は遅い（例えば該液晶層の厚さ
が10μｍのとき40msecの立下り時間を必要とする）た
め、動画像や画像が切り換わる場合、残像が発生し、画
質が劣化する。さらに、液晶分子を配向させるための
均一な配向層を必要とし、液晶層の厚みもかなり精密
に保持しなくてはならない。

（５）の素子では強誘電性液晶を用いているため、動
作速度は速いが、次の欠点がある。該液晶の透過率対
印加電圧特性は双安定状態を示すため、任意のレベルの
画像を表示すること（アナログ画像表示）ができない。
かつ、液晶層の厚さは非常に薄い（１μｍ程度）た
め、大型の２次元素子を製作することは極めて困難であ
る。さらに、（５）の素子は、（２）〜（４）の従来素
子の持つ〜及び、の欠点も有する。

［課題を解決するための手段］本発明は、かかる課題を解決するためになされたもの
であり、ネマティック液晶の常光屈折率、異常光屈折率
または該液晶がランダムに配向した際の屈折率のいずれ
かと同等の屈折率を持つ樹脂マトリクス中に該液晶を閉
じ込めた液晶複合体と、光を全反射する誘電体多層膜と
光伝導層とを順次密着し、その両側に透明電極を付着し
た構造を持つ光書込み型空間光変調器、及び、前記誘電
体多層膜を除き前記液晶複合体と光伝導層を密着させた
ことを特徴とする光書込み型空間光変調器、及び、それ
らの光書込み型空間光変調器において、前記液晶複合体
中のネマティック液晶分子の長軸を印加電界方向とほぼ
一致する方向に配列させるために必要な交流電圧の実効
値よりも大きな実効値をもつ交流電圧で駆動することを
特徴とする光書込み型空間光変調器を提供するものであ
る。

本発明の光書込み型空間光変調器は、ネマティック液
晶と該液晶の常光屈折率、異常光屈折率または該液晶が
ランダムに配向した際の屈折率のいずれかと同等の屈折
率をもつ樹脂マトリクスからなる液晶複合体と全反射用
誘電体多層膜と光伝導層とを密着して、その両端面に透
明電極を付着した構成をとることにより、従来素子の持
つ前記諸問題を解決し、高品質かつ明るい画像やデータ
パターンの表示、インコヒーレント光画像のコヒーレン
ト光画像への変換、波長変換などを高速度で行うもので
ある。

即ち、このような液晶複合体の動作速度（数msec〜＋
数msec）は動的散乱モード型液晶やツイストネマティッ
ク液晶に比べて高速であり、従って、本発明の空間光
変調器は前記（１）〜（４）に述べた従来の空間光変調
器よりも速い応答速度を持つ。

また、本発明の素子は、偏光板及び検光板を用いずに
画像表示することができるため、前記（２）〜（５）
に述べた従来の空間光変調器において特有の前記〜
の問題点をもたない。

さらに、本発明の空間光変調器は、前記（２）〜
（４）の従来の空間光変調器に不可欠な液晶配向層を要
しなく、大型化しても液体の液晶層を基板間に挟持する
のでないため、素子製作が極めて容易になる。

また、本発明に用いる液晶複合体は、従来の基板の周
囲をシールして内部に液体状の液晶を封入した液晶に比
べて格段に大型化が可能であり、例えば光伝導層にアモ
ルファスシリコン膜を用いることにより、本空間光変
調器を容易に大型化することも可能である。

さらに、液晶複合体の透過率対印加電圧特性は、ツイ
ストネマティック液晶や強誘電性液晶に比べて小さなγ
特性を有しており、アナログ画像表示に適している。

［実施例］次に本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。本発明による光書込み型空間光変調器の斜視図を示
す第１図を参照すると、本発明の実施例は、透明電極２
を付着したガラス等の透明な基板１、液晶複合体３、全
反射用誘電体多層膜４および透明電極２を付着した光伝
導層５を含む。２つの透明電極は交流電源６に接続され
る。該交流電源６が発生する交流電圧は、液晶複合体中
のネマティック液晶分子の長軸を印加電界の方向とほぼ
一致させるのに必要な交流電圧の実効値よりも大きな実
効値V₀を持てばよく、具体的には５〜100V程度とされ
る。書込み光７は光伝導層５に入射する。一方、読出し
光8Aは、ガラス等の透明な基板１側から入射し、誘電体
多層膜４において全反射され、表示光8Bとなり、基板１
側に出射される。

本発明の液晶複合体は、ネマティック液晶と該液晶の
常光屈折率、異常光屈折率または該液晶がランダムに配
向した際の屈折率のいずれかと同程度の屈折率を持つ樹
脂マトリクスからなる。該樹脂マトリクス中に該液晶
が、例えば、第２図に示すように連通状態（その長さは
数百nm〜数μｍ）で閉じ込められたものや、液晶が樹脂
マトリクス中にマイクロカプセル状に閉じ込められたも
のである。

この液晶複合体は、液晶の常光屈折率または異常光屈
折率と樹脂マトリクスの屈折率とがほぼ一致している時
には、電極間に該液晶複合体を直接はさんだ場合、電極
間に電圧が印加されていない状態で液晶と樹脂マトリク
スの屈折率がくい違っていることから散乱状態となり、
電極間に電圧が印加された状態で両者の屈折率が一致
し、光が透過する透過状態となる。

また、液晶がランダムに配向した際の屈折率と樹脂マ
トリクスの屈折率とがほぼ一致している時には、電極間
に該液晶複合体を直接はさんだ場合、電極間に電圧が印
加されていない状態で液晶と樹脂マトリクスの屈折率が
一致していることから光が透過状態となり、電極間に電
圧が印加された状態で両者の屈折率が食い違い、光が散
乱状態となる。

これら両方の液晶複合体が使用できるが、前者の液晶
の常光屈折率または異常光屈折率と樹脂マトリクスの屈
折率とがほぼ一致しているタイプが好ましい。これは、
液晶がランダムに配向した際の屈折率と樹脂マトリクス
の屈折率とがほぼ一致しているタイプのものでは、大面
積の範囲でマクロ的にみると、部分的に液晶のランダム
な状態が異なり、透過時にムラがあるように見えること
があるためである。これに対して、液晶の常光屈折率ま
たは異常光屈折率と樹脂マトリクスの屈折率とがほぼ一
致しているタイプの液晶複合体は、電圧を印加して液晶
分子が一定の方向に配列した状態で透過状態となるた
め、ランダム配向時に偏った配向をしていてもほぼ均一
に透過することとなる。また、電圧を印加していない状
態では、液晶分子は樹脂マトリクスの壁面に配列し、ラ
ンダムに配向しているのと実質的に同じ状態になる。こ
の状態では、散乱状態になっており、透過状態とは異な
り、わずかに屈折率がずれても目立ちにくく、空間光変
調器として使用した場合にムラとなって認識されること
はほとんどない。

特に、これらの中でも液晶の常光屈折率と樹脂マトリ
クスの屈折率とがほぼ一致しているタイプがその性能
上、最適である。

この液晶複合体は、ネマティック液晶と、樹脂マトリ
クスを構成する材料とを混ぜあわせて溶液状またはラテ
ックス状にしておいて、これを光硬化、熱硬化、溶媒除
去による硬化、反応硬化等させて樹脂のマトリクスを分
離し、樹脂マトリクス中にネマティック液晶が分散した
状態をとるようにすれば良い。

使用する樹脂を、光硬化または熱硬化タイプにするこ
とにより、密閉系内で硬化できるため好ましい。

特に、光硬化タイプの樹脂を用いることにより、熱に
よる影響を受けなく、短時間で硬化させることができ好
ましい。

具体的な製法としては、従来の通常のツイストネマテ
ィック液晶と同様にシール材を用いてセルを形成し、注
入口から未硬化のネマティック液晶と樹脂マトリクスと
の混合物を注入し、注入口を封止して後、硬化すること
もできる。

また、本発明の液晶複合体の場合には、シール材を用
いなく、例えば、透明電極を設けた基板上に未硬化のネ
マティック液晶と樹脂マトリクスとの混合物を供給し、
その後、全反射用誘電体多層膜及び透明電極を付着した
光伝導層を重ねて、光照射等により硬化させることもで
きる。もちろん、その後、周辺にシール材を塗布して周
辺をシールしてもよい。この製法によれば、単に未硬化
のネマティック液晶と樹脂マトリクスとの混合物をロー
ルコート、スピンコート、印刷、ディスペンサーによる
塗布等で供給すれば良いため、注入工程が簡便であり、
生産性が極めてよい。

また、これらの未硬化のネマティック液晶と樹脂マト
リクスとの混合物には、基板間隙制御用のセラミック粒
子、プラスチック粒子、ガラス繊維等のスペーサー、顔
料、色素、粘度調整剤、その他、本発明の性能に悪影響
を与えない添加剤を添加してもよい。

本発明で用いられる光伝導層は、CdS,CdSe,Se,SeTe,G
aAs,Bi₁₂SiO₂₀,Bi₁₂GeO₂₀,アモルファスシリコン膜など
光照射によりインピーダンスが大幅に変化する材料から
なる。

書き込み光照射時及び同光非照射時の光伝導層のイン
ピーダンスをそれぞれZ_ON,Z_OFFとし、液晶複合体および
全反射用誘電体多層膜のインピーダンスをそれぞれZ_LC,
Z_Mとすると、本発明の空間光変調器は次の関係をもつ。

Z_OFF≫Z_LC≫Z_ON≫Z_M （１）また、光伝導層の厚さ及び誘電率をt₁及びε_１に、液
晶複合体の厚さ及び誘電率をt₂及びε_２に、さらに全反
射用誘電体多層膜の厚さ及び誘電率をt₃及びε_３に、そ
れぞれ定めると、本空間光変調器は、の関係をもつ。

次に、液晶の常光屈折率と樹脂マトリクスの屈折率と
がほぼ一致しているタイプの液晶複合体の例に基いて、
本発明の空間光変調器の動作を説明する。

書き込み光がない場合には、（１）式より大部分の電
圧は光伝導層に印加され、液晶複合体の印加電圧は小さ
い。従って、ネマティック液晶分子９は、樹脂マトリク
ス10の不規則な壁面に応じて、第２図（ａ）に示すよう
に様々な方向を向く、このときネマティック液晶は、該
液晶を囲む樹脂マトリクス10の屈折率（n_p）と異なる屈
折率（2n_o＋n_e）/3（ただしn_o、n_eはネマティック液晶
の常光屈折率と異常光屈折率）を持つ。

従って、読出し光は液晶複合体３中で散乱され、その
出力光強度は最小になる。次に、書き込み光が増大する
と、その強度に応じて光伝導層のインピーダンスが減少
し、液晶複合体に印加される電圧が増大する。書き込み
光強度が十分大きい場合、液晶分子の長軸は第２図
（ｂ）に示すように電界の方向を向き、液晶複合体に垂
直に入射した読出し光はネマティック液晶の常光屈折率
n_oを感じる。n_oはn_pに極めて近い値を持つため、この場
合読出し光は散乱せずに透過し、素子透過後の読出し
光、即ち表示光の強度は最大になる。

本発明の光書込み型空間光変調器の他の構成を第３図
に示す。第３図の空間光変調器は第１図の空間光変調器
から全反射用誘電体多層膜を除いた構造を持ち、読出し
光8A（もしくは8C）を基板側（もしくは光伝導層側）か
ら入射し、表示光8B（もしくは8D）を光伝導層側（もし
くは基板側）から出射するものである。

次に、一例として、第４図に示すようにネマティック
液晶（n_o＝1.525、n_e＝1.771、誘電率ε_⊥＝5.7、ε₁₁
＝21.3（夫々1kHzの駆動周波数の値））をアクリル樹脂
（n_p≒1.52、誘電率ε_ｐ≒9.5）中に連通状に閉じ込め
た液晶複合体11（厚さ25μｍ）と、Bi₁₂SiO₂₀光伝導性
結晶12（厚さ1mm）からなる空間光変調器の特性を述べ
る。

第４図では、書き込み光７であるArイオンレーザ光
（波長488nm）と、読出し光8AであるHe−Neレーザ光
（波長633nm）が本空間光変調器に同時に照射される。H
e−Neレーザ光は赤色光フィルタ13を透過し、全反射鏡1
4で反射し後、本空間光変調器を再び通過し、判透過鏡1
5で表示光16として読出し光8Aと分離される。

第５図に本空間光変調器の駆動電圧V₀をパラメータと
する表示光強度と書き込み光強度の関係を示す。ただ
し、駆動電圧の周波数は1kHzであり、書込み光の変調周
波数は60Hzである。この特性はNTSCテレビ信号の２倍の
くり返し周波数（60フレーム／秒）で静止画像を表示す
る場合のコントラスト比（I_B/I_D）を示すものである。
例えばV₀＝73V_rmsでは極めて高いコントラスト比（I_B/I
_D＞500）で、アナログ変調に好適なγの小さい入出力特
性を示すことがわかる。

この空間光変調器の表示光の立上り時間および立下り
時間は、ともに8msec程度であり、ツイストネマティッ
ク液晶を用いた従来の空間光変調器に比べて数倍程度速
い。また、分解性も従来の素子に比して遜色はない。

［発明の効果］本発明の空間光変調器では、偏光子および検光子が
不要のため、表示画像が従来の偏光込および検光子を用
いる空間光変調器に比べ２倍明るくなること、偏光子
および検光子の透過特性の波長依存性に基く色バランス
の不良が取り除かれること、および配向処理が不要で
あり、液晶間隙の厳密な制御が不要であり、大面積の素
子製作が容易になることなどの特有の効果がある。

また、ツイストネマティック液晶や動的散乱モード型
液晶を用いた従来の光書込み型空間光変調器に比べて本
空間光変調器は、応答速度が速い（本素子の立上りお
よび立下り時間の合計は16msec程度であり、従来のツイ
ストネマティック液晶を用いた光書込み型空間光変調器
の立上りと立下り時間の合計（50msec〜100msec）より
格段に短かい）、アナログ光変調に好適（本素子はγ
の小さい入出力特性をもつ、一方、従来の空間光変調器
のγは非常に大きくアナログ光変調に不適当であ
る。）、コントラスト比（I_B/I_D）が高い（本素子はI
_B/I_D＞500と高い、一方従来の空間光変調器のI_B/I_Dは数
十以下である）、などの特長を有する。

さらに、本発明に用いた液晶複合体は大面積化が容易
であり、アモルファスシリコン膜を光伝導層に用いれ
ば、大型（10cm×10cm以上）の空間光変調器を容易に製
作することができ、水平、垂直方向とも3000TV本程度の
高解像度画像を表示することも可能である。一方、従来
の空間光変調器では応答速度を向上させるため液晶膜の
厚さを極めて薄く（１μｍ〜数μｍ）する必要があり、
素子の大面積化は困難である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光書込み型空間光変調器の一構成例を
示す斜視図、第２図（ａ）および（ｂ）は第１図の構成
要素の液晶複合体の動作を示す斜視図、第３図は本発明
の光書込み型空間光変調器の他の構成例を示す斜視図、
第４図は第３図の構成例の一実施例を示す斜視図、第５
図は第４図の実施例における表示光強度と書き込み光強
度との関係を示す実験結果、第６〜第10図はそれぞれ文
献１〜５に記述されている従来の光書込み型空間光変調
器の構成を示す側面図。 1:基板、 2:透明電極、 3:液晶複合体、 4:誘電体多層膜、 5:光伝導層、 6:交流電源、 7:書き込み光、 8A:読出し光 8B:表示光

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ネマティック液晶の常光屈折率、異常光屈
折率または該液晶がランダムに配向した際の屈折率のい
ずれかと同等の屈折率を持つ樹脂マトリクス中に該液晶
を閉じ込めた液晶複合体と、光を全反射する誘導体多層
膜と光伝導層とを順次密着し、その両側に透明電極を付
着した構造を持つ光書込み型空間光変調器。
【請求項２】前記誘電体多層膜を除き前記液晶複合体と
光伝導層を密着させたことを特徴とする請求項１に記載
する光書込み型空間光変調器。
【請求項３】前記液晶複合体中のネマティック液晶分子
の長軸を印加電界方向とほぼ一致する方向に配列させる
ために必要な交流電圧の実効値よりも大きな実効値をも
つ交流電圧で駆動することを特徴とする請求項１または
２に記載する光書込み型空間光変調器。