JP2610031B2 - Bistable spatial light modulator and light modulation method - Google Patents

Bistable spatial light modulator and light modulation method

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JP2610031B2
JP2610031B2 JP4421688A JP4421688A JP2610031B2 JP 2610031 B2 JP2610031 B2 JP 2610031B2 JP 4421688 A JP4421688 A JP 4421688A JP 4421688 A JP4421688 A JP 4421688A JP 2610031 B2 JP2610031 B2 JP 2610031B2
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【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および光変調方法に係り、特に
画像やデータパターンなど光学的な2次元情報の2値
化,増幅,記録,アナログ・ディジタル変換,ディジタ
ル論理演算および表示などの諸機能を有する双安定型の
空間光変調器およびこの空間光変調器を用いた光変調方
法に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spatial light modulator and a light modulation method, and particularly to binarization, amplification, recording, and analogization of optical two-dimensional information such as an image and a data pattern. The present invention relates to a bistable spatial light modulator having various functions such as digital conversion, digital logical operation, and display, and a light modulation method using the spatial light modulator.

[発明の概要] この発明は、光の振幅あるいは位相を制御し、画像や
データパターンのような2次元情報を空間的に処理・表
示する空間光変調器および光変調方法に関するもので、
光学的な2次元情報を電気的な2次元情報に変換する光
伝導層と、電気情報を屈折率や旋光能などの材料の光学
的特性に変換する電気光学層の間に、ポリビニールアル
コール(以後PVAと呼ぶ)を主材料とする偏光フィルム
を挿入してこれら三層を密着し、その両端面に透明電極
を付けた構造の素子に、電気光学層側から直線偏光の2
次元情報を入射することにより、または、さらに光伝導
層側から2次元のバイアス光あるいは信号光を入射する
ことにより、これら入射光のある強度に対してこの素子
からの出射光が2つの安定な状態を持ち、かつ入射光の
履歴に応じてそのいずれかの状態に落ち着く、いわゆる
光双安定特性や、ある入射光強度を閾値として出力光強
度が2値化される微分利得特性などを実現し、2次元光
信号の2値化,増幅,記録,アナログ・ディジタル変
換,2次元情報同士のディジタル論理演算およびディスプ
レイなどを実行できるようにしたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a spatial light modulator and a light modulation method for controlling amplitude or phase of light and spatially processing and displaying two-dimensional information such as an image and a data pattern.
Between a photoconductive layer that converts optical two-dimensional information into electrical two-dimensional information and an electro-optical layer that converts electrical information into optical properties of the material such as refractive index and optical rotation, polyvinyl alcohol ( (Hereinafter referred to as PVA) A polarizing film mainly composed of a material is inserted, these three layers are adhered to each other, and transparent electrodes are attached to both end surfaces thereof.
By injecting two-dimensional information or further injecting two-dimensional bias light or signal light from the photoconductive layer side, for a certain intensity of the incident light, the light emitted from this element becomes two stable lights. It realizes the so-called optical bistability characteristic that has a state and settles in one of the states according to the history of the incident light, and the differential gain characteristic in which the output light intensity is binarized using a certain incident light intensity as a threshold. It can execute two-dimensional optical signal binarization, amplification, recording, analog / digital conversion, digital logic operation between two-dimensional information, display, and the like.

[従来の技術] 従来の双安定型空間光変調器としては以下に示す素子
がある。
[Prior Art] As a conventional bistable spatial light modulator, there are the following elements.

(1)第20図に示すように、交流電源8で駆動される液
晶ライトバルブ12,偏光子13,鏡14,半透過鏡17およびレ
ンズ16を組み合わせて、入力光9の液晶ライトバルブ全
面からの反射光を液晶ライトバルブの裏面に帰還する素
子(文献1,U.H.Gerlach,U.K.Sengupta andS.A.Collins,
Jr.:Optical Engineering,Vol.19,No.4(1980)P.452〜
P.455参照)。
(1) As shown in FIG. 20, the liquid crystal light valve 12, the polarizer 13, the mirror 14, the semi-transmissive mirror 17, and the lens 16 driven by the AC power supply 8 are combined to make the input light 9 from the entire surface of the liquid crystal light valve. (Ref.1, UHGerlach, UKSengupta and S.A. Collins,
Jr.:Optical Engineering, Vol.19, No.4 (1980) P.452 ~
See page 455).

(2)第21図に示すように、2つの偏光子13(ポラロイ
ドフィルム)の間に液晶セルを挿入し、光伝導素子と液
晶セルの透明電極2を結線し、入力光9を変調して出力
光10を得る素子(文献2,A.A.Vasiliev,I.N.Kompanets a
nd A.V.Parfenov:Mikroelektronika Vol.9 No.1(198
0)P.87〜P.89、または文献3,A.A.Vasiliev,I.N.Kompan
ets and A.V.Parfenov:Optik,Vol.67,No.3(1984)P.22
3〜P.236参照)。
(2) As shown in FIG. 21, a liquid crystal cell is inserted between two polarizers 13 (polaroid films), the photoconductive element is connected to the transparent electrode 2 of the liquid crystal cell, and the input light 9 is modulated. An element that obtains output light 10 (Reference 2, AAVasiliev, INKompanets a
nd AVParfenov: Mikroelektronika Vol.9 No.1 (198
0) P.87-P.89, or Reference 3, AAVasiliev, INKompan
ets and AVParfenov: Optik, Vol. 67, No. 3 (1984) P. 22
3 to P.236).

(3)第22図に示すように、液晶層6と光伝導層3を密
着しその両端面に透明電極2を付けた素子(文献4,I.N.
Kompanets,A.V.Parfenov and Yu.M.Popov:Optics Commu
nications,Vol.36 No.5,(1981)P.415〜P.416参照)。
(3) As shown in FIG. 22, an element in which the liquid crystal layer 6 and the photoconductive layer 3 are in close contact with each other and the transparent electrodes 2 are attached to both end surfaces thereof (Reference 4, IN
Kompanets, AVParfenov and Yu.M.Popov: Optics Commu
nications, Vol. 36 No. 5, (1981) P. 415 to P. 416).

(4)第23図に示すように液晶層6の両側に誘電体鏡18
を付着したファブリ・ペロー型共振器(例えばJ.A.Jenk
ins and H.E.White:Fundamentals of Optics P.301〜P.
302)に光伝導層3を密着し、その両端面に透明電極2
を付着した素子。(文献5,I.N.Kompanets,A.V.Parfenov
and Yu.M.Popov:Optics Communications,Vol.36,No5
(1981)P.417〜P.418参照)。
(4) Dielectric mirrors 18 are provided on both sides of the liquid crystal layer 6 as shown in FIG.
Fabry-Perot resonator (eg JAJenk)
ins and HEWhite: Fundamentals of Optics P.301-P.
302) is adhered to the photoconductive layer 3 and the transparent electrodes 2
Attached element. (Ref. 5, INKompanets, AVParfenov
and Yu.M.Popov: Optics Communications, Vol.36, No5
(1981) pp. 417-418).

[発明が解決しようとする問題点] 従来の双安定型空間光変調器には以下に記述する欠点
があった。すなわち、第20図に示した素子では、鏡およ
びレンズを用いて光帰還を行うため、構成が大掛かりに
なる,機械的振動に弱い,光学的な位置調整が容易でな
い,などの欠点を持っていた。
[Problems to be Solved by the Invention] The conventional bistable spatial light modulator has the following disadvantages. That is, the device shown in FIG. 20 has drawbacks such as a large-scale configuration, weakness to mechanical vibration, and difficulty in optical position adjustment because optical feedback is performed using a mirror and a lens. Was.

第21図に示した素子では液晶セルと光伝導素子を電気
的に結線しているため、2次元情報を処理するためには
光伝導素子を空間的に配列し、かつ膨大な配線を必要と
するなどの欠点を持っている。
In the device shown in FIG. 21, the liquid crystal cell and the photoconductive device are electrically connected, so that the photoconductive device is spatially arranged and an enormous amount of wiring is required to process two-dimensional information. It has disadvantages such as.

第22図に示した素子ではゲストホスト型液晶が用いら
れているため、ある入射光強度に対し、2つの出射光強
度をもついわゆる双安定特性において、これら2つの出
射光強度の差が小さい(コントラストが小さい),応答
速度が遅いなどの欠点があった。
Since the device shown in FIG. 22 uses a guest-host type liquid crystal, the difference between these two emitted light intensities in a so-called bistable characteristic having two emitted light intensities with respect to a certain incident light intensity is small ( (Small contrast) and slow response speed.

第23図に示した素子はファブリ・ペロー型共振器と同
じ構造を有しているため、特定の波長の光しか利用でき
ない、液晶の厚さを光の波長のオーダーで均一にする必
要があり素子製作が困難などの欠点を持っていた。
Since the element shown in Fig. 23 has the same structure as the Fabry-Perot resonator, only light of a specific wavelength can be used, and the thickness of the liquid crystal must be uniform on the order of the wavelength of the light. It had drawbacks such as difficulty in device fabrication.

[発明が解決しようとする問題点] 本発明は上述した従来の欠点を解決し、画像やデータ
パターンなど2次元の光学的情報の2値化,増幅,記
録,アナログ・ディジタル変換,2次元情報同志のディジ
タル論理演算および2次元光学情報の表示などを行うこ
とのできる空間光変調器を提供することを目的とする。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the related art, and binarizes two-dimensional optical information such as images and data patterns, amplifies and records, analog-digital conversion, and two-dimensional information. It is an object of the present invention to provide a spatial light modulator capable of performing digital logic operation and display of two-dimensional optical information among each other.

[問題点を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明光変調器は
2枚の透明電極の間に電界によって光学的特性が変化す
る液晶層と、液晶層と同等あるいはより大きな誘電率を
持つ透明な誘電体層と液晶層と同等あるいはより大きな
誘電率および抵抗率を持ち、かつ特定の偏光方向の直線
偏波光を選択する能力を持つ偏光層と、透明なオイル層
と、光照射により抵抗率が減少する透明な光伝導層とが
順次配設されてなることを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the optical modulator of the present invention has a liquid crystal layer whose optical characteristics change due to an electric field between two transparent electrodes, and a liquid crystal layer equivalent to the liquid crystal layer. Or a transparent dielectric layer with a larger dielectric constant and a polarizing layer with the same or larger dielectric constant and resistivity as the liquid crystal layer and the ability to select linearly polarized light in a specific polarization direction, and a transparent oil And a transparent photoconductive layer whose resistivity is reduced by light irradiation.

本発明光変調方法は、光照射によって抵抗率が変化す
る透明な光伝導層と、電界によって光学的特性が変化す
る液晶層と、液晶層と同等あるいはより大きな誘電率お
よび抵抗率を持つ透明誘電体層と液晶層と同等あるいは
より大きな比誘電率および抵抗率をもち、かつ特定の偏
光方向の直線偏波光を選択し得る偏光層と、透明なオイ
ルとが順次配設されてなる双安定型空間光変調器の2枚
の透明電極間に交流駆動電圧を印加し、かつ液晶層側か
ら2次元の光信号を入射し、光伝導層側から2次元の光
信号を出射することを特徴とする。
The light modulation method of the present invention comprises a transparent photoconductive layer whose resistivity changes by light irradiation, a liquid crystal layer whose optical properties change by an electric field, and a transparent dielectric layer having a dielectric constant and resistivity equal to or larger than that of the liquid crystal layer. A bistable type in which a polarizing layer having the same or larger relative permittivity and resistivity as the body layer and the liquid crystal layer and capable of selecting linearly polarized light in a specific polarization direction and a transparent oil are sequentially arranged. An AC drive voltage is applied between two transparent electrodes of the spatial light modulator, a two-dimensional optical signal is incident from the liquid crystal layer side, and a two-dimensional optical signal is emitted from the photoconductive layer side. I do.

[作 用] 本発明の双安定型光変調器は鏡やレンズを用いずに帰
還を行うので第20図および第21図に示した従来の素子の
問題点を解決し、光照射による光伝導層の電圧変化を効
率的に液晶層に伝える構造である。従って、第21図に示
した従来の素子の問題点を解決でき、さらに応答速度が
速く、コントラストが高いので前述した第22図に示した
素子の問題点を解決することができる。さらに利用でき
る光の波長領域が広く、素子製作が容易なので、第23図
に示した従来の欠点を解決できるという特徴を有してい
る。
[Operation] The bistable optical modulator of the present invention performs feedback without using a mirror or a lens, and therefore solves the problems of the conventional element shown in FIGS. In this structure, the voltage change of the layer is efficiently transmitted to the liquid crystal layer. Therefore, the problem of the conventional device shown in FIG. 21 can be solved, and the problem of the device shown in FIG. 22 can be solved because the response speed is high and the contrast is high. Further, since the usable wavelength range of light is wide and element fabrication is easy, it has a feature that the conventional disadvantage shown in FIG. 23 can be solved.

[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。
[Example] Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図に本発明による双安定型空間光変調器の実施例
の斜視図を示す。本例は、透明電極2を付着したガラス
基板1,透明電極2を付着した透明な光伝導層3,誘電率お
よび抵抗率の高い透明オイル層4,特定の偏光方向の直線
偏波光を選択する偏光層5,配向層7が付着した透明誘電
体層19,液晶層6および配向層7と透明電極2を付着し
たガラス基板1とを含む。
FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a bistable spatial light modulator according to the present invention. In this example, a glass substrate having a transparent electrode 2 attached thereto, a transparent photoconductive layer 3 having a transparent electrode 2 attached thereto, a transparent oil layer 4 having a high dielectric constant and resistivity, and a linearly polarized light having a specific polarization direction are selected. It includes a polarizing layer 5, a transparent dielectric layer 19 to which an alignment layer 7 is attached, a liquid crystal layer 6, and an alignment layer 7 and a glass substrate 1 to which a transparent electrode 2 is attached.

液晶材料としては、ネマティック液晶またはコレステ
リック液晶などを用い、印加電界によるこれらの液晶の
分子配列の変化に誘起される複屈折率や旋光能などの変
化を利用して双安定型の光変調動作を行う。
As a liquid crystal material, a nematic liquid crystal or a cholesteric liquid crystal is used, and a bistable light modulation operation is performed by utilizing a change in birefringence or optical rotation caused by a change in the molecular arrangement of the liquid crystal due to an applied electric field. Do.

光伝導層は、CdS,CdSe,Se,SeTe,アモルファスシリコ
ン膜,Bi12SiO20(以下BSOと呼ぶ)、Bi12GeO20など光照
射により抵抗率が大きく変化する材料から成る。
Photoconductive layer, CdS, (hereinafter referred to as BSO) CdSe, Se, SeTe, amorphous silicon film, B i12 S i O 20, made of a material that resistivity varies greatly by light irradiation such as B i12 GeO 20.

偏光層は、液晶に比べ同等もしくはより大きな誘電率
と抵抗率をもつ材料(例えばPVAを主材料とする偏光フ
ィルム)から成る。透明誘電体層としては、光の透過
率,誘電率および抵抗率がともに高く、かつ第1図に示
すように光がZ方向に進むときXY面内の屈折率が一様で
ある材料が適している。例えば第1図のZ方向が結晶の
c軸と一致するSrTiO3,LiTaO3,LiNbO3,KD2PO4などの強
誘電性結晶が好適である。またガラスはこれらの材料に
比べて誘電率は小さいが、後述する(13)式を満足する
ようにその厚さを十分に減少すれば使用可能である。透
明オイルとしては光の透過率が高く、かつ比誘電率およ
び抵抗率の高い絶縁用オイル(例えばひまし油やえの
油)が適している。透明オイルは光伝導層と偏光フィル
ムを密着したとき、両者の間に空気層が生じるのを防止
する役割を持ち、その厚さは数μm以下である。ここで
第1図に示すように光伝導層3,オイル層4,偏光フィルム
5,液晶層6,配向層7および透明誘電体層19の厚さ(ti
および比誘電率(ε)をそれぞれt11,t22,t3,
ε3,t44,t55,t6とすると、本発明では以下
の関係が成立する。
The polarizing layer is made of a material having a dielectric constant and a resistivity equal to or larger than that of the liquid crystal (for example, a polarizing film mainly composed of PVA). As the transparent dielectric layer, a material having a high light transmittance, a high dielectric constant and a high resistivity, and a uniform refractive index in the XY plane when the light travels in the Z direction as shown in FIG. 1 is suitable. ing. For example, ferroelectric crystals such as SrTiO 3 , LiTaO 3 , LiNbO 3 , and KD 2 PO 4 whose Z direction in FIG. 1 coincides with the c-axis of the crystal are suitable. Glass has a smaller dielectric constant than these materials, but can be used if its thickness is sufficiently reduced so as to satisfy the following expression (13). As the transparent oil, an insulating oil having a high light transmittance, a high relative dielectric constant and a high resistivity (for example, castor oil or fly oil) is suitable. The transparent oil has a role of preventing the formation of an air layer between the photoconductive layer and the polarizing film when they are in close contact with each other, and has a thickness of several μm or less. Here, as shown in FIG. 1, photoconductive layer 3, oil layer 4, polarizing film
5, Thickness (t i ) of liquid crystal layer 6, alignment layer 7 and transparent dielectric layer 19
And the relative permittivity (ε i ) are t 1 , ε 1 , t 2 , ε 2 , t 3 ,
Assuming that ε 3 , t 4 , ε 4 , t 5 , ε 5 , t 6 , ε 6 , the following relationship is established in the present invention.

t1》ti>tj (1) ただしi=3,4,6およびj=2,5 各層の厚さと比誘電率にこのような関係を与えることに
よって、光が本発明による素子に入射しないとき光伝導
層だけに十分な電圧を印加することができる。
t 1 / ε 1 >> t i / ε i > t j / ε j (1) where i = 3,4,6 and j = 2,5 By giving such a relationship to the thickness and relative dielectric constant of each layer, When light does not enter the device according to the present invention, a sufficient voltage can be applied only to the photoconductive layer.

次に第1図に示す光変調器の作用を説明する。1例と
して本素子を構成するガラス基板および透明電極を除く
各層の材料のパラメータ(比誘電率εi,厚さti,抵抗率
ρ)を第1表に示す。これらの材料を入手することは
容易である。これらの材料は本素子の構成に好適なパラ
メータを有している。本素子の主要素である液晶層は交
流駆動を必要とするため、今後、透明電極に交流電圧を
印加する場合の素子動作について述べる。
Next, the operation of the optical modulator shown in FIG. 1 will be described. As an example, Table 1 shows the parameters (relative permittivity ε i , thickness t i , and resistivity ρ i ) of the materials of each layer excluding the glass substrate and the transparent electrode constituting the present element. Obtaining these materials is easy. These materials have parameters suitable for the construction of the device. Since the liquid crystal layer, which is a main element of the present device, requires AC driving, the operation of the device when an AC voltage is applied to the transparent electrode will be described in the future.

本光変調器では、2枚の透明電極の間に6種類の層が
あるが、交流駆動の場合、透明誘電体層19、配向層7お
よび透明オイル層4のインピーダンスは極めて小さいた
め、これらの層は省略して液晶層6,偏光フィルム5およ
び光伝導層3から成る三層構造素子と見なして本光変調
器の作用・動作を述べてさしつかえない。
In this optical modulator, there are six types of layers between the two transparent electrodes. In the case of AC driving, the impedance of the transparent dielectric layer 19, the alignment layer 7, and the transparent oil layer 4 is extremely small. The layers will be omitted, and the operation and operation of the optical modulator will be described assuming a three-layer structure element including the liquid crystal layer 6, the polarizing film 5, and the photoconductive layer 3.

この三層構造の等価回路は第2図で与えられる。ここ
でC1は光伝導層(BSO)のキャパシタンス、R1はBSOに光
を照射しないときの抵抗、RPはBSOにPjmw/cm2の単色光
(波長:442nm)を照射したときの抵抗、RおよびCはBS
Oに電圧を加えたときに生じるキャリア(電子)の平均
捕獲時間τで定められる抵抗とキャパシタンス、C3およ
びR3は偏光フィルムのキャパシタンスおよび抵抗、C4
よびR4は液晶層のキャパシタンスおよび抵抗であり、そ
れぞれ以下の式で表される。
The equivalent circuit of this three-layer structure is given in FIG. Wherein C 1 is the capacitance of the photoconductive layer (BSO), resistance when R 1 is not irradiated with light to BSO, R P is P j mw / cm 2 of monochromatic light to BSO (wavelength: 442 nm) when irradiated with Resistance, R and C are BS
The resistance and capacitance determined by the average carrier (electron) capture time τ generated when a voltage is applied to O, C 3 and R 3 are the polarization film capacitance and resistance, and C 4 and R 4 are the liquid crystal layer capacitance and resistance. And each is represented by the following equation.

C1=εε0S/t1 (2) R1=ρ1t1/S (3) RP=ρPt1/S (4) R C=τ (5) C3=εε0S/t3 (6) R3=ρ3t3/S (7) C4=εε0S/t4 (8) R4=ρ4t4/S (9) ただしεは真空の誘電率、Sは本素子の断面積、ρ
はBSOの光照射したときの抵抗率である。
C 1 = ε 1 ε 0 S / t 1 (2) R 1 = ρ 1 t 1 / S (3) R P = ρ P t 1 / S (4) RC = τ (5) C 3 = ε 3 ε 0 S / t 3 (6) R 3 = ρ 3 t 3 / S (7) C 4 = ε 4 ε 0 S / t 4 (8) R 4 = ρ 4 t 4 / S (9) where ε 0 is Vacuum permittivity, S is the cross-sectional area of the device, ρ
P is the resistivity when the BSO is irradiated with light.

文献6(P.Aubourg,J.P.Huignard,M.Hareng and R.A.
Mullen,Applied Optics,Vol.21,No.20,(1982),P.3706
−P.3712)よりPk=14mw/cm2(波長442nm)の照射光の
場合R=6MΩ,C=1.2nFであることが明らかになってお
り、同文献6より照射強度Pjを変えたときのCの変化は
第3図のごとく与えられる。
Reference 6 (P. Aubourg, JP Huignard, M. Hareng and RA
Mullen, Applied Optics, Vol. 21, No. 20, (1982), P. 3706
For illumination light R = 6MΩ of -P.3712) from P k = 14mw / cm 2 (wavelength 442 nm), and it found to be a C = 1.2nF, changing the irradiation intensity P j from the document 6 Is given as shown in FIG.

ここで本素子の駆動に適した電圧周波数を明らかにす
る。第1表のパラメータ,Rおよび第3図から得られるC
を(2)式〜(9)式に代入し、S=1cm2としてBSO,偏
光フィルムおよび液晶層の各インピーダンスを計算する
と、第4図に示すような本素子全体の印加電圧V0と液晶
層に加わる電圧VLCの比の照射光強度(Pj)依存性が得
られる。これより、駆動電圧の周波数fが100Hz以上で
は、液晶層に印加される電圧と照射光強度がほぼ直線的
な関係にあり、素子駆動に好適であることがわかる。
Here, a voltage frequency suitable for driving the present device will be clarified. The parameters in Table 1, R and C obtained from FIG.
Is substituted into the equations (2) to (9), and the impedances of the BSO, the polarizing film and the liquid crystal layer are calculated assuming that S = 1 cm 2 , and the applied voltage V 0 of the entire device as shown in FIG. The irradiation light intensity (P j ) dependence of the ratio of the voltage VLC applied to the layer is obtained. From this, it is understood that when the frequency f of the driving voltage is 100 Hz or more, the voltage applied to the liquid crystal layer and the intensity of the irradiation light have a substantially linear relationship, which is suitable for driving the element.

次に本光変調器が双安定特性を示すことを説明する。
第5A図に示すように90゜にねじれた配向をもつ90゜ツイ
ストネマティック液晶層側から偏光フィルム5と同じ方
向に直線偏波した光9を入射すると、液晶層と偏光フィ
ルムから成る二層構造素子は、一般によく知られた90゜
ツイストネマティック液晶セルと同等の機能を持ち、例
えば第5B図で与えられる透過率(T)対印加電圧
(VLC)特性を示す。ただし液晶セルを駆動する電流は
交流であり、横軸はその振幅の実効値である。入射光9
はBSOの感度特性に合わせて、青色もしくは緑色光とす
るのがよい。ここでPiおよびPjそれぞれを液晶セルの入
射光および出射光の強度とすると、上記特性は T=Pj/Pi=F(VLC) (10) で与えられる。
Next, the fact that the present optical modulator exhibits a bistable characteristic will be described.
As shown in FIG. 5A, when a linearly polarized light 9 is incident in the same direction as the polarizing film 5 from the 90 ° twisted nematic liquid crystal layer having a 90 ° twisted orientation, a two-layer structure composed of a liquid crystal layer and a polarizing film is formed. The device has a function equivalent to that of a generally well-known 90 ° twisted nematic liquid crystal cell, and exhibits, for example, a transmittance (T) vs. applied voltage (V LC ) characteristic given in FIG. 5B. However, the current for driving the liquid crystal cell is an alternating current, and the horizontal axis is the effective value of the amplitude. Incident light 9
Is preferably blue or green light according to the sensitivity characteristics of BSO. Here, assuming that Pi and Pj are the intensities of the incident light and the outgoing light of the liquid crystal cell, the above characteristic is given by T = Pj / Pi = F ( VLC ) (10).

次に偏光フィルムを通過した光(Pj)は光伝導層(BS
O)に入りその抵抗RPを変化させるため、液晶層に加わ
る印加電圧VLCが変化する。その結果、BSOに入射する光
量Pjが変化し、再び液晶層の電圧が変化する。この一連
の帰還動作により本素子は双安定特性を示す。
Next, the light (P j ) passing through the polarizing film is applied to the photoconductive layer (BS).
For changing the resistance R P enters the O), the applied voltage V LC applied to the liquid crystal layer is changed. As a result, the light amount P j is changed entering the BSO, again the voltage of the liquid crystal layer is changed. By this series of feedback operations, the present device exhibits bistable characteristics.

前述した駆動電圧の周波数の範囲では液晶層に印加さ
れる電圧VLCは近似的に VLC=VD+αPj (11) で表される。ここでVDは光を照射しないときの液晶層に
印加される電圧であり、αは駆動電圧の周波数fで定め
られる比例定数である。(11)式は T=Pj/Pi=(VLC−VD)/αPi (12) と書き改めることができ、(10)式と(12)式を同時に
満足する解としてPiとPjの関係が与えられる。これは第
5C図に示すように両式の交点より容易に知ることができ
る。光双安定特性が得られるのは、点A,B,Cあるいは点
D,Eに示されるように(10)式と(12)式の間に少なく
とも2つ以上の交点が存在する場合に限られる。すなわ
ち、第5C図に示すようにT=F(VLC)の変曲点Hに対
応する印加電圧をVHとし、かつ第1図において2つの透
明電極の間にある液晶層のインピーダンスをZLとし、か
つ液晶層と光伝導層以外の材料の総インピーダンスをZM
とし、かつ、光伝導層の光照射時の最小インピーダンス
をZON,非照射時のインピーダンスをZOFFとするとき、光
双安定特性が得られるためには、少なくとも次の条件が
成立する必要がある。
Voltage V LC applied to the liquid crystal layer in the range of frequencies of the above-mentioned drive voltage is expressed by approximately V LC = V D + αP j (11). Here V D is the voltage applied to the liquid crystal layer when no irradiation of light, alpha is a proportionality constant determined by the frequency f of the driving voltage. Equation (11) can be rewritten as T = P j / P i = (V LC −V D ) / αP i (12), and P i is a solution that satisfies equations (10) and (12) simultaneously. And P j are given. This is
As shown in Fig. 5C, it can be easily known from the intersection of both equations. Optical bistable characteristics can be obtained at points A, B, C or
As shown in D and E, it is limited to the case where at least two or more intersections exist between the equations (10) and (12). That is, as shown in FIG. 5C, the applied voltage corresponding to the inflection point H of T = F (V LC ) is V H , and the impedance of the liquid crystal layer between the two transparent electrodes in FIG. L and the total impedance of materials other than the liquid crystal layer and photoconductive layer is Z M
And, when the minimum impedance of the photoconductive layer at the time of light irradiation is Z ON , and the impedance at the time of no light irradiation is Z OFF , at least the following conditions must be satisfied in order to obtain optical bistable characteristics. is there.

このときBSOの吸収係数をγとすると、入力光9の強
度Piに対する本素子の出力光10の強度P0は P0=Pjexp(−γt1) (14) で与えられる。
When the absorption coefficient at this time BSO and gamma, intensity P 0 of the output light 10 of the present device to the intensity P i of the input light 9 is given by P 0 = P j exp (-γt 1) (14).

一例として、第1表のパラメータを持つ本素子をf=
400Hzの電圧(実効値で表した振幅V0=30V)で駆動し、
かつ光伝導層から入射する光の強度Pcをゼロとして490n
mの波長の光Piを液晶層側から入射したときの入出力特
性(計算値)を第6図に示す。ただしγ=3.4cm-1およ
びt1=2mmより、exp(−γt1)=0.5とした。同図にお
いてPiを0から増大するときPi<Ptでは、P0対Pi特性は
点A,Bを結ぶ線で表される。Piをさらに増大しPt≦Pi
なるとP0対Pi特性は点B,C,Dを結ぶ線で表される。その
後Piを減少するとP0対Pi特性は点D,E,F,Aを結ぶ線で表
される。以上のごとく同図は入射光強度Piと出射光強度
P0が双安定関係にあることを示している。
As an example, this element having the parameters in Table 1 is represented by f =
Driving with a voltage of 400 Hz (amplitude V 0 = 30 V expressed in effective value)
490 n with the intensity P c of light incident from the photoconductive layer as zero
FIG. 6 shows input / output characteristics (calculated values) when light Pi having a wavelength of m is incident from the liquid crystal layer side. However, from γ = 3.4 cm −1 and t 1 = 2 mm, exp (−γt 1 ) = 0.5. In P i <P t when increasing the P i from 0 in the figure, P 0 vs. P i characteristic is represented by a line connecting the points A, B. When P i is further increased and P t ≦ P i , the P 0 vs. P i characteristic is represented by a line connecting points B, C, and D. Thereafter, when P i is decreased, the P 0 vs. P i characteristic is represented by a line connecting points D, E, F, and A. As described above, the figure shows the incident light intensity P i and the output light intensity
This indicates that P 0 is in a bistable relationship.

第6図に示した特性を利用して、微弱な光パルスで大
きなパワーをもつ光パルスを制御することができる。例
えば第7図(a)のようなP0−Pi特性(第6図の特性と
同等である)をもつ素子に、第7図(b)に示すような
大きなパワーの光PBを入射すると、出力光POは図(a)
におけるB点で示される値となる。次に微弱な光パルス
PAを素子に入射すると、出力光P0の値はA点で示される
値となる。そしてこの光パルスPAの入射が終っても、出
力光P0はPBが持続されるかぎりA点とほぼ同レベルのC
点の値を維持する。その結果、出力光の強度P0の時間的
な変化同図(c)に示すようになる。すなわち微弱な光
パルスで大きなパワーを持つ光パルスを制御することが
できる。この結果は光増幅,光メモリ,波長や偏光の変
換,インコヒーレント光からコヒーレント光への変換,
またはその逆変換など種々の応用が可能である。
By utilizing the characteristics shown in FIG. 6, it is possible to control a light pulse having a large power with a weak light pulse. For example, elements having the P 0 -P i characteristics such as FIG. 7 (a) (a characteristic of FIG. 6 and is equivalent), the incident light P B of large power, such as shown in FIG. 7 (b) Then, the output light P O is as shown in FIG.
At the point B. Next, the weak light pulse
When P A enters the element, the value of the output light P 0 becomes the value indicated by point A. And even finished incidence of the light pulse P A, output light P 0 is almost the same level as the point A as long as the P B is sustained C
Keep point values. As a result, as shown in temporal changes FIG intensity P 0 of the output light (c). That is, a light pulse having a large power can be controlled by a weak light pulse. The results are optical amplification, optical memory, wavelength and polarization conversion, conversion from incoherent light to coherent light,
Alternatively, various applications such as the inverse transform are possible.

また、fを変えるとVDおよびαが変るため、ヒステリ
シスのないP0対Pi特性も得ることができる。一例として
f=370Hz、駆動電圧の振幅(実効値)V0=30V,光伝導
層側から入射する光の強度Pcをゼロとして、490nmの波
長の光Piを液晶層側から入射したときのP0対P1特性(計
算値)を第8図に示す。第8図のP0対Pi特性を利用する
と、2次元の光ダイオード(ただし順方向のみ)を構成
することができる。
Further, since V D and α Changing the f is changed, P 0 vs. P i characteristic no hysteresis can be obtained. F = 370 Hz as an example, the amplitude of the drive voltage (effective value) V 0 = 30 V, the light intensity P c entering from the photoconductive layer side as zero, when entering from the liquid crystal layer side light P i of a wavelength of 490nm FIG. 8 shows the P 0 vs. P 1 characteristics (calculated values) of the above. By utilizing the P 0 vs. P i characteristic of FIG. 8, a two-dimensional photodiode (only in the forward direction) can be constructed.

さらに、Piを一定にしてfを変えるとこの素子の透過
率(T)を制御することができる。一例として、Pi=14
mw/cm2,V0=30V,かつPc=0mW/cm2として、Piを液晶層側
から入射したときのT対f特性(計算値)を第9図に示
す。第9図のT対f特性を利用すると、素子のセット・
リセットを周波数fにより制御することができる。
Furthermore, it is possible to control the transmittance of the element (T) changing the f by a constant P i. As an example, P i = 14
mw / cm 2, V 0 = 30V and as P c = 0mW / cm 2, , shows T vs. f characteristics when incident P i from the liquid crystal layer side (calculated) in Figure 9. Using the T vs. f characteristic of FIG.
The reset can be controlled by the frequency f.

また、第1図に示すように、光伝導層側から強度Pi
入射光9と同時に強度PCの短波長の制御光11を照射する
ことにより、出射光10の強度P0を制御することも可能で
ある。一例として、Pi=14mw/cm2,V0=30V,f=500Hzの
ときのT対Pc特性(計算値)を第10図に示す。第10図の
T対PC特性を利用すると、PCにより出力光P0を非線形に
制御することができるため、2次元の光トランジスタを
構成することができる。例えば第11図(a)および
(b)に示すように2つの光画像あるいはデータパター
ンPAおよびPBを第1図における入射光9および制御光11
として本素子に入射すれば、PA,PBのANDあるいはORなど
の光論理演算を2次元的に行うことができる。
Further, as shown in FIG. 1, by irradiating a control light 11 having a short wavelength of the incident light 9 at the same time as the intensity P C of the intensity P i from the photoconductive layer side, to control the intensity P 0 of the emitted light 10 It is also possible. As an example, FIG. 10 shows T vs. Pc characteristics (calculated values) when P i = 14 mw / cm 2 , V 0 = 30 V, and f = 500 Hz. Utilizing T vs. P C characteristic of FIG. 10, it is possible to control the output light P 0 nonlinearly by P C, it is possible to construct a two-dimensional optical transistor. For example FIG. 11 (a) and (b) 2 two optical images or data as shown in the pattern P A and P B of the incident light 9 and the control light 11 in FIG. 1
If incident on the element as can be done P A, the optical logic operations such as AND or OR of P B two-dimensionally.

また、Pi,Pc,fを調整することにより透過率(T)対
駆動電圧(V0)特性を制御することも可能である。一例
としてf=400Hz,Pi=14mw/cm2,Pc=0mw/cm2のときT対
V0特性(計算値)を第12図に、およびf=400Hz,Pi=14
mw/cm2,Pc=10mw/cm2のときのT対V0特性(計算値)を
第13図にそれぞれ示す。第12図のT対V0特性を利用する
と、メモリ機能を持つ2次元シャッターを構成すること
ができる。すなわち、第1図に示す透明電極を単純マト
リックス構造にして、かつ駆動電圧の大きさを制御する
だけで薄膜トランジスタアレイから成るアクティブマト
リックス構造の液晶ディスプレイなどと同様に、マトリ
ックスの配列を増加しても高いコントラストを持つ高い
精細度ディスプレイを構成することができる。本素子は
アクティブマトリックス構造の素子に比べて電極構造が
簡単であり、ディスプレイの高精細度化に好適である。
It is also possible to control the P i, P c, the transmittance by adjusting the f (T) versus driving voltage (V 0) characteristics. As an example, when f = 400 Hz, P i = 14 mw / cm 2 and P c = 0 mw / cm 2 ,
V 0 characteristics (calculated values) are shown in FIG. 12, and f = 400 Hz, P i = 14
mw / cm 2, respectively T versus V 0 characteristics when P c = 10mw / cm 2 (calculated value) in FIG. 13 shows. Utilizing T versus V 0 characteristic of Figure 12, it is possible to construct a two-dimensional shutter having a memory function. That is, even if the transparent electrodes shown in FIG. 1 are formed into a simple matrix structure and the magnitude of the matrix is increased as in the case of an active matrix structure liquid crystal display comprising a thin film transistor array simply by controlling the magnitude of the driving voltage. A high definition display with high contrast can be constructed. This element has a simpler electrode structure than an element having an active matrix structure, and is suitable for high definition display.

また、第13図に示すように駆動電圧の周波数入力光あ
るいは制御光の強度を調整することにより、T対V0特性
を容易に変えることができる。すなわち、これらパラメ
ータを制御することによりディスプレイのγカーブを変
化させることができ、γカーブ可変型のディスプレイを
構成することも可能である。
Further, by adjusting the intensity of the frequency input light or control light of the drive voltage as shown in FIG. 13, it can be changed easily T versus V 0 characteristics. That is, by controlling these parameters, the γ curve of the display can be changed, and a display with a variable γ curve can be configured.

また、偏光フィルムと直交する方向に直線偏波した青
色光もしくは緑色光を本素子に入射する場合、液晶層と
偏光フィルムから成る二層構造素子の透過率対印加電圧
特性は例えば第14図で与えられるため、第14図と(12)
式よりこの素子の入出力特性は第15図(計算値)に示す
ようなリミッター特性となる。そのほか、光伝導層であ
るBSOは赤色光や赤外光など長波長の光に対する光伝導
効果は非常に小さいという性質を利用して、短波長光で
長波長光を制御することもできる。長波長に関する諸特
性は短波長の諸特性である第6,8〜10,12,13,15図と類似
の特性を示す。ただし、図中のパラメータPi,Pcは短波
長光の値である。また、この場合γ《1cm-1となりBSOに
おける吸収損失は無視できる(exp(−γr1)1)。
When blue light or green light linearly polarized in the direction perpendicular to the polarizing film is incident on the device, the transmittance versus applied voltage characteristic of the two-layer structure device including the liquid crystal layer and the polarizing film is shown in FIG. 14, for example. 14 and (12) to be given
From the equation, the input / output characteristics of this element are limiter characteristics as shown in FIG. In addition, BSO, which is a photoconductive layer, can control long-wavelength light with short-wavelength light by utilizing the property that the photoconductive effect on long-wavelength light such as red light and infrared light is very small. The characteristics relating to the long wavelength are similar to those of FIGS. 6, 8, 10, 12, 13 and 15, which are the characteristics of the short wavelength. However, the parameters P i and P c in the figure are the values of short-wavelength light. In this case, γ << 1 cm −1 , and the absorption loss in BSO can be ignored (exp (−γr 1 ) 1).

これまで90゜ツイストネマティック液晶について述べ
てきたが、90゜以外のねじれ角を持つネマティック液晶
を用いても同様の効果を得ることができる。
Although a 90 ° twisted nematic liquid crystal has been described above, the same effect can be obtained by using a nematic liquid crystal having a twist angle other than 90 °.

さらに、液晶の電界制御複屈折モードを利用しても同
様の効果を得ることができる。この場合(10)式に対応
する液晶の透過率は T=cos2(φ−φ)−sin2 φ1sin2 φ2sin2 {[πΔn(V)t4/λ+θ0/2]} (15) で与えられる。ただし、φ1は初期配向時(駆動電
圧が0V)の液晶の光軸と入射光および偏光フィルムの偏
光方向とのなす角、Δn(V)は液晶に印加される電圧
(V)に依存する複屈折率(常光と異常光の屈折率の
差)、θはV=0のときの複屈折率に基づく光学的位
相差、λは入射波長である。(15)式は第16図に示すよ
うな反復的な透過率(T)対電圧(V)特性を有するた
め、この液晶層と光伝導層を組み合わせた本発明による
素子では、V0,f,Pi,Pcなど既に記述したパラメータに加
えてφ1およびθを制御することにより、P0対Pi
特性、Po対Pc特性、T対f特性、T対Vo特性などの諸特
性において種々の多安定性を得ることができる。一例と
して、V0=23V,f=400Hz,PC=0mw/cm2、φ=φ=2
2.5゜、θ=0のときのP0対Pi特性(計算値)を第17
図に示す。第17図の多安定なP0対Pi特性を利用すると、
多値の論理演算、アナログ・ディジタル変換、多値メモ
リなど多彩な信号処理および多値の表示を2次元的に行
うことができる。
Further, the same effect can be obtained by using the electric field control birefringence mode of the liquid crystal. In this case the transmittance of the liquid crystal corresponding to the (10) equation T = cos 2 (φ 1 -φ 2) -sin2 φ 1 sin2 φ 2 sin 2 {[πΔn (V) t 4 / λ + θ 0/2]} ( 15) given by Here, φ 1 and φ 2 are angles between the optical axis of the liquid crystal at the time of initial alignment (drive voltage is 0 V) and the polarization directions of the incident light and the polarizing film, and Δn (V) is the voltage (V) applied to the liquid crystal. birefringence which depends on (the difference between the refractive index of ordinary light and extraordinary light), theta 0 is the optical phase difference based on birefringence when V = 0, lambda is the incident wavelength. Since the equation (15) has a repetitive transmittance (T) versus voltage (V) characteristic as shown in FIG. 16, the device according to the present invention combining this liquid crystal layer and the photoconductive layer has V 0 , f , P i , P c , and by controlling φ 1 , φ 2, and θ 0 in addition to the parameters already described, P 0 vs. P i
Characteristic, it is possible to obtain P o versus P c characteristics, T vs. f characteristics, a variety of multi-stability in various properties such as T versus V o characteristics. As an example, V 0 = 23V, f = 400Hz, P C = 0mw / cm 2, φ 1 = φ 2 = 2
2.5 °, P 0 vs. P i characteristic (calculated value) at θ 0 = 0
Shown in the figure. Using the multi-stable P 0 vs. P i characteristic in FIG. 17,
Various signal processing such as multi-valued logic operation, analog / digital conversion, multi-valued memory, and multi-value display can be performed two-dimensionally.

液晶の複屈折性を利用して得られる第17図の特性は、
液晶の旋光性を利用して得られる第6図に対応する特性
であり、この対応より、液晶の旋光性を利用したP0対Pi
特性(第8図)、T対V0特性(第12図および第13図)は
液晶の複屈折性を用いると、多安定特性を示すことがわ
かる。
The characteristic of Fig. 17 obtained by using the birefringence of liquid crystal is
This is a characteristic corresponding to FIG. 6 obtained by using the optical rotation of the liquid crystal, and from this correspondence, P 0 vs. P i using the optical rotation of the liquid crystal
It can be seen that the characteristics (FIG. 8) and the T vs. V 0 characteristics (FIGS. 12 and 13) show multi-stable characteristics when the birefringence of the liquid crystal is used.

これまで、第1図に示すように2枚の透明電極の間に
液晶層,配向層,透明誘電体層,透明オイル層,偏光層
および光伝導層を順次配列した光変調器について記述し
たが、第18図に示すように透明誘電体層を除いた素子で
も第1図に示す光変調器と同様の機能および効果を発揮
することが可能である。この素子は第1図に示す素子よ
りも低電圧で駆動できるという特長を持つ。また、配向
性を持つ偏光層(例えばPVAフィルム)を用いれば、第1
9図に示すように透明誘電体層のみならず配向層の一部
をも省略することが可能である。この素子を用いても第
1図の素子と同等の機能および効果を発揮することがで
きる。
Until now, an optical modulator in which a liquid crystal layer, an alignment layer, a transparent dielectric layer, a transparent oil layer, a polarizing layer, and a photoconductive layer are sequentially arranged between two transparent electrodes as shown in FIG. 1 has been described. Also, as shown in FIG. 18, an element excluding the transparent dielectric layer can exhibit the same function and effect as the optical modulator shown in FIG. This element has the feature that it can be driven at a lower voltage than the element shown in FIG. In addition, if a polarizing layer having orientation (for example, a PVA film) is used, the first
As shown in FIG. 9, not only the transparent dielectric layer but also a part of the alignment layer can be omitted. Even if this element is used, functions and effects equivalent to those of the element shown in FIG. 1 can be exhibited.

[発明の効果] 双安定型の空間光変調器は画像などの2次元の光信号
をディジタル的に処理できるため、画像の論理演算,画
像の記録,アナログ・ディジタル変換などを行う素子と
して信号処理・演算処理などの分野あるいはディスプレ
イなどに幅広い応用がある。
[Effects of the Invention] Since a bistable spatial light modulator can digitally process a two-dimensional optical signal such as an image, the signal processing is performed as an element that performs logical operation of an image, recording of an image, analog / digital conversion, and the like. -There are a wide range of applications in fields such as arithmetic processing and displays.

本発明による光変調器は、鏡,レンズおよびセル単位
の電気的配線を要せずかつ小型であり、光共振器構造を
持たないため製作も容易であり、さらに液晶の旋光性や
複屈折性を利用するため、従来より高いコントラストと
速い応答速度を有している。
The optical modulator according to the present invention does not require electrical wiring in units of mirrors, lenses and cells, is compact, has no optical resonator structure, is easy to manufacture, and has the optical rotation and birefringence of liquid crystal. Therefore, it has higher contrast and faster response speed than before.

本発明光変調器を用いると、2次元の光の変調が可能
であるばかりでなく、光増幅,光メモリ,波長や偏光方
向の変換,インコヒーレント光からコヒーレント光への
変換,またはその逆変換などが可能である。
By using the optical modulator of the present invention, not only two-dimensional light modulation is possible, but also optical amplification, optical memory, conversion of wavelength and polarization direction, conversion from incoherent light to coherent light, or the inverse conversion thereof. Is possible.

また、2次元の光ダイオード(ただし順方向のみ)を
構成することができる。さらに素子のセット・リセット
を周波数によって制御できる。
In addition, a two-dimensional photodiode (only in the forward direction) can be configured. Further, the set / reset of the element can be controlled by the frequency.

また、本発明素子を用いて2次元の光トランジスタを
構成することができ、光画像あるいはデータパターンを
制御光として本素子に入射すればANDあるいはORなどの
光論理演算を2次元的に行うことができる。
In addition, a two-dimensional optical transistor can be formed by using the element of the present invention. If an optical image or a data pattern is incident on the element as control light, optical logic operations such as AND or OR can be performed two-dimensionally. Can be.

また、本発明による光変調器を用いて、メモリ機能を
持つ2次元シャッターを構成することができる。すなわ
ち、第1図に示す透明電極を単純マトリックス構造にし
て、かつ駆動電圧の大きさを制御するだけで、薄膜トラ
ンジスタアレイから成るアクティブマトリックス構造の
液晶ディスプレイなどと同様に、マトリックスの配列を
増加しても高いコントラストを持つ高精細度ディスプレ
イを構成することができる。
Further, a two-dimensional shutter having a memory function can be configured using the optical modulator according to the present invention. That is, the transparent electrodes shown in FIG. 1 are made to have a simple matrix structure, and only by controlling the magnitude of the driving voltage, the arrangement of the matrix is increased similarly to a liquid crystal display having an active matrix structure comprising a thin film transistor array. Thus, a high-definition display having a high contrast can be formed.

また、駆動電圧の周波数入力光あるいは制御光の強度
などのパラメータを制御することによりディスプレイの
γカーブを変化させることができγカーブ可変型のディ
スプレイを構成することも可能である。
Further, by controlling parameters such as the frequency input light of the drive voltage or the intensity of the control light, the gamma curve of the display can be changed, and a gamma curve variable display can be configured.

さらに本発明による素子を用いて、多値の論理演算、
アナログ・ディジタル変換,多値メモリなど多彩な信号
処理および多値の表示を2次元的に行うことができる。
Further, using the element according to the present invention, a multi-valued logical operation,
Various signal processing such as analog-to-digital conversion and multi-value memory and multi-value display can be performed two-dimensionally.

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

第1図は本発明の双安定型空間光変調器の一実施例を示
す図、 第2図は本発明の双安定型空間光変調器の等価回路図、 第3図は本発明の光伝導層に用いるBi12SiO20のキャリ
アの平均捕獲時間で定められるキャパシタンスの照射光
強度(Pj)依存性を示す図、 第4図は液晶層に印加される電圧(VLC)と素子全体に
印加される電圧(V0)との比の照射光強度(Pj)依存性
を示す図、 第5A図は90゜ツイストネマティック液晶セルの構造を示
す図、 第5B図は90゜ツイストネマティック液晶セルの透過率
(T)の印加電圧(VLC)依存性を示す図、 第5C図は本発明の双安定型空間光変調器の入力光対出力
光特性を求めるグラフ的解析法を示す図、 第6図は本発明光変調器の光入出力特性の一例を示す
図、 第7図は本発明光変調器の光増幅や単安定マルチバイブ
レータへの応用を示す図、 第8図は光変調器の光入出力特性の一例を示す図、 第9図は光変調器の透過率(T)の駆動電圧の周波数依
存性を示す図、 第10図は本発明光変調器の透過率の制御光(Pc)依存性
を示す図、 第11図は本発明光変調器の光論理演算への応用を示す
図、 第12図および第13図はそれぞれ本発明光変調器の透過率
の駆動電圧の振幅依存性を示す図、 第14図は90゜ツイストネマティック液晶セルの駆動電圧
依存性を示す図、 第15図は第14図に示した特性を持つ液晶層を構成要素の
一部とする光変調器の光入出力特性を示す図、 第16図は電界制御複屈折モードを利用した液晶セルの透
過率の駆動電圧依存性を示す図、 第17図は第16図に示した特性を持つ液晶層を構成要素の
一部とする光変調器の光入出力特性を示す図、 第18図および第19図は本発明の双安定型空間光変調器の
他の実施例を示す図、 第20図〜第23図はそれぞれ従来の双安定型空間光変調器
の構成を示す図である。 1……ガラス基板、 2……透明電極、 3……透明光伝導層、 4……透明オイル層、 5……偏光層、 6……液晶層、 7……配向層、 8……交流電源、 11……制御光(PC)、 19……透明誘電体層。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a bistable spatial light modulator of the present invention, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the bistable spatial light modulator of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a graph showing the irradiation light intensity (P j ) dependence of the capacitance determined by the average capture time of the carriers of Bi 12 S i O 20 used in the layer. FIG. 4 shows the voltage (V LC ) applied to the liquid crystal layer and the device. FIG. 5A is a diagram showing the irradiation light intensity (P j ) dependence of the ratio to the voltage (V 0 ) applied to the whole, FIG. 5A is a diagram showing the structure of a 90 ° twisted nematic liquid crystal cell, and FIG. 5B is a diagram showing a 90 ° twist FIG. 5C is a graph showing the dependence of the transmittance (T) of the nematic liquid crystal cell on the applied voltage (V LC ). FIG. 5C is a graph analysis method for obtaining the input light versus output light characteristics of the bistable spatial light modulator of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing an example of light input / output characteristics of the optical modulator of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing optical amplification and monostable characteristics of the optical modulator of the present invention. FIG. 8 is a diagram showing an example of optical input / output characteristics of an optical modulator, and FIG. 9 is a diagram showing the frequency dependence of the drive voltage of the transmittance (T) of the optical modulator. FIG. 10 is a diagram showing the control light (P c ) dependence of the transmittance of the optical modulator of the present invention; FIG. 11 is a diagram showing the application of the optical modulator of the present invention to optical logic operation; 13 is a diagram showing the amplitude dependence of the drive voltage of the transmittance of the optical modulator of the present invention, FIG. 14 is a diagram showing the drive voltage dependence of a 90 ° twisted nematic liquid crystal cell, and FIG. 15 is FIG. Fig. 16 shows the light input / output characteristics of an optical modulator with a liquid crystal layer having the characteristics shown in Fig. 16 as a component. Fig. 16 shows the drive voltage dependence of the transmittance of a liquid crystal cell using an electric field controlled birefringence mode. FIG. 17 is a diagram showing light input / output characteristics of an optical modulator having a liquid crystal layer having the characteristics shown in FIG. 16 as a part of its constituent elements. FIGS. 18 and 19 show another embodiment of the bistable spatial light modulator of the present invention. FIGS. 20 to 23 show the configuration of a conventional bistable spatial light modulator, respectively. FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Glass substrate, 2 ... Transparent electrode, 3 ... Transparent photoconductive layer, 4 ... Transparent oil layer, 5 ... Polarizing layer, 6 ... Liquid crystal layer, 7 ... Alignment layer, 8 ... AC power supply , 11 ...... control light (P C), 19 ...... transparent dielectric layer.

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】2枚の透明電極の間に、電界によって光学
的特性が変化する液晶層と、該液晶層より大きな誘電率
および抵抗率を持ち、かつその表面に液晶の配向をそろ
えるための配向層が設けられている透明な誘電体層と、
前記液晶層と同等あるいはより大きな誘電率および抵抗
率を持ち、かつ特定の偏光方向の直線偏波光を選択する
能力を持つ偏光層と、透明なオイル層と、光照射により
抵抗率が減少する透明な光伝導層とが順次配設されてな
ることを特徴とする双安定型空間光変調器。
1. A liquid crystal layer whose optical characteristics are changed by an electric field between two transparent electrodes, a liquid crystal layer having a dielectric constant and a resistivity higher than that of the liquid crystal layer, and a liquid crystal layer having a liquid crystal alignment on its surface. A transparent dielectric layer provided with an alignment layer,
A polarizing layer having a dielectric constant and resistivity equal to or larger than that of the liquid crystal layer, and having the ability to select linearly polarized light having a specific polarization direction, a transparent oil layer, and a transparent material whose resistivity is reduced by light irradiation. A bi-stable spatial light modulator, comprising:
【請求項2】前記光伝導層の光照射時のインピーダンス
をZON,非照射時のインピーダンスをZOFF、前記液晶層の
インピーダンスをZL,2枚の透明電極の間にあって光伝導
層と液晶層を除いた総インピーダンスをZM,透明電極に
印加する電圧をV0,および液晶層と前記偏光層で構成さ
れる液晶セルの透過率と液晶に加わる電圧との関係を示
す特性曲線の変曲点に相当する印加電圧をVHとすると
き、ZL/(ZL+ZM+ZOFF)はVH/V0より小さく、ZL/(ZL
+ZM+ZON)はVH/V0より大きい前記ZL,ZM,ZON,ZOFFを有
し、かつ、前記光伝導層の厚さおよび比誘電率をそれぞ
れt1およびε、前記オイル層の厚さおよび比誘電率を
それぞれt2およびε、前記偏光層の厚さおよび比誘電
率をそれぞれt3およびε、前記液晶層の厚さおよび比
誘電率をそれぞれt4およびε、前記配向層の厚さおよ
び比誘電率をそれぞれt5およびε、前記配向層が設け
られている透明な誘電体層の厚さおよび比誘電率をそれ
ぞれt6およびεとしたとき、t1はti(i=
2,3,4,5,6)よりも大きく、t2およびt5はti/
ε(i=1,3,4,6)よりも小さいことを特徴とする請
求項1に記載の双安定型空間光変調器。
2. The photoconductive layer has an impedance at the time of light irradiation of Z ON , an impedance at the time of non-irradiation at Z OFF , an impedance of the liquid crystal layer at Z L , and is provided between two transparent electrodes. The total impedance excluding the layer is Z M , the voltage applied to the transparent electrode is V 0 , and the characteristic curve showing the relationship between the transmittance of the liquid crystal cell composed of the liquid crystal layer and the polarizing layer and the voltage applied to the liquid crystal is changed. when the applied voltage corresponding to the inflection point and V H, less than Z L / (Z L + Z M + Z OFF) is V H / V 0, Z L / (Z L
+ Z M + Z ON ) has Z L , Z M , Z ON , and Z OFF greater than V H / V 0 , and the thickness and relative permittivity of the photoconductive layer are t 1 and ε 1 , respectively. The thickness and relative permittivity of the oil layer are t 2 and ε 2 , respectively, the thickness and relative permittivity of the polarizing layer are t 3 and ε 3 , respectively, and the thickness and relative permittivity of the liquid crystal layer are t 4 , respectively. And ε 4 , the thickness and relative dielectric constant of the alignment layer are t 5 and ε 5 , respectively, and the thickness and relative dielectric constant of the transparent dielectric layer provided with the alignment layer are t 6 and ε 6 , respectively. Then, t 1 / ε 1 becomes t i / ε i (i =
2,3,4,5,6), t 2 / ε 2 and t 5 / ε 5 are t i /
2. The bistable spatial light modulator according to claim 1, wherein the value is smaller than [epsilon] i (i = 1, 3, 4, 6).
【請求項3】前記液晶層がネマティック液晶あるいはコ
レステリック液晶からなり、前記光伝導層はBi12SiO20,
Bi12GeO20,CdS,CdSe,Se,SeTeあるいはアモルファスシリ
コン膜の中の一種であり、前記偏光層はポリビニールア
ルコールを主材料とする偏光フィルムからなり、前記オ
イル層は比誘電率および抵抗率の大きい絶縁用オイルか
らなり、かつ、前記配向層が設けられた透明な誘電体層
がSrTiO3,LiTaO3,LiNbO3もしくはKD2PO4の強誘電性結晶
からなることを特徴とする請求項1または2に記載の双
安定型空間光変調器。
Wherein the liquid crystal layer comprises a nematic liquid crystal or cholesteric liquid crystal, the photoconductive layer B i12 S i O 20,
B i12 G e O 20 , C d S, C d S e , Se, S e T e or one of amorphous silicon films, wherein the polarizing layer is made of a polarizing film mainly composed of polyvinyl alcohol, The oil layer is made of an insulating oil having a large relative dielectric constant and resistivity, and the transparent dielectric layer provided with the alignment layer has a ferroelectricity of SrTiO 3 , LiTaO 3 , LiNbO 3 or KD 2 PO 4 . The bistable spatial light modulator according to claim 1, comprising a crystal.
【請求項4】2枚の透明電極の間に、電界によって光学
的特性が変化する液晶層と、該液晶層と同等あるいはよ
り大きな誘電率および抵抗率を持ち、かつ特定の偏光方
向の直線偏波光を選択する能力を持つ偏光層と、透明な
オイル層と、光照射により抵抗率が減少する透明な光伝
導層とが順次配設されてなり、かつ、前記液晶層の少な
くとも一面上に該液晶の配向をそろえるための配向層が
設けられていることを特徴とする双安定型空間光変調
器。
4. A liquid crystal layer whose optical characteristics are changed by an electric field between two transparent electrodes, and having a dielectric constant and a resistivity equal to or larger than that of the liquid crystal layer, and a linear polarization of a specific polarization direction. A polarizing layer having the ability to select wave light, a transparent oil layer, and a transparent photoconductive layer whose resistivity is reduced by light irradiation are sequentially disposed, and the liquid crystal layer is provided on at least one surface of the liquid crystal layer. A bistable spatial light modulator, comprising an alignment layer for aligning liquid crystal.
【請求項5】請求項1,2,3および4のいずれかに記載の
双安定型空間光変調器の前記2枚の透明電極間に交流駆
動電圧を印加し、かつ駆動電圧の振幅およびその周波数
もしくは前記光伝導層側から照射する光をパラメータと
して、光入出力特性を制御することを特徴とする光変調
方法。
5. The bistable spatial light modulator according to claim 1, wherein an AC drive voltage is applied between the two transparent electrodes, and the amplitude of the drive voltage and its amplitude are controlled. A light modulation method, wherein a light input / output characteristic is controlled using a frequency or light irradiated from the photoconductive layer side as a parameter.
【請求項6】請求項1,2,3および4のいずれかに記載の
双安定型空間光変調器の前記2枚の透明電極間に交流駆
動電圧を印加し、かつ前記液晶層側から2次元の光信号
を入射し、前記光伝導層側から2次元の光信号を出射す
るようにし、前記液晶層側から入射する光、前記光伝導
層側から入射する光および前記駆動電圧の振幅をパラメ
ータとして、透過率の前記駆動電圧の周波数に対する依
存性を制御することを特徴とする光変調方法。
6. The bistable spatial light modulator according to claim 1, wherein an AC drive voltage is applied between the two transparent electrodes, and a voltage is applied from the liquid crystal layer side. A two-dimensional optical signal is incident, and a two-dimensional optical signal is emitted from the photoconductive layer side. The light incident from the liquid crystal layer side, the light incident from the photoconductive layer side, and the amplitude of the driving voltage are changed. An optical modulation method comprising controlling, as a parameter, the dependence of transmittance on the frequency of the drive voltage.
【請求項7】請求項1,2,3および4のいずれかに記載の
双安定型空間光変調器の前記2枚の透明電極間に交流駆
動電圧を印加し、かつ前記液晶層側および前記光伝導層
側からそれぞれ2次元の光信号を入射し、前記光伝導層
側から2次元の光信号を出射するようにし、前記液晶層
側から入射する光、前記駆動電圧の振幅およびその周波
数をパラメータとして、透過率の前記光伝導層側からの
入射光に対する依存性を制御することを特徴とする光変
調方法。
7. The bistable spatial light modulator according to claim 1, wherein an AC drive voltage is applied between said two transparent electrodes, and said liquid crystal layer side and said liquid crystal layer side are connected to each other. A two-dimensional optical signal is incident from the photoconductive layer side, and a two-dimensional optical signal is emitted from the photoconductive layer side. The light incident from the liquid crystal layer side, the amplitude of the driving voltage and the frequency thereof are changed. A light modulation method comprising controlling, as a parameter, dependence of transmittance on incident light from the photoconductive layer side.
【請求項8】請求項1,2,3および4のいずれかに記載の
双安定型空間光変調器の前記2枚の透明電極間に交流駆
動電圧を印加し、かつ前記液晶層側から2次元の光信号
を入射し、前記光伝導層側から2次元の光信号を出射す
るようにし、前記駆動電圧の周波数と、前記液晶層側お
よび前記光伝導層側からそれぞれ入射する光をパラメー
タとして、透過率の前記駆動電圧の振幅に対する依存性
を制御することを特徴とする光変調方法。
8. The bistable spatial light modulator according to claim 1, wherein an AC drive voltage is applied between the two transparent electrodes, and the liquid crystal layer is connected with an AC drive voltage. A two-dimensional optical signal is incident, and a two-dimensional optical signal is emitted from the photoconductive layer side. The frequency of the drive voltage and the light incident from the liquid crystal layer side and the photoconductive layer side are used as parameters. Controlling the dependence of transmittance on the amplitude of the drive voltage.
【請求項9】請求項1,2,3および4のいずれかに記載の
双安定型空間光変調器の透明電極を単純マトリクス構造
とし、前記2枚の透明電極間に交流駆動電圧を印加し、
かつ前記液晶層側から2次元の光信号を入射し、前記光
伝導層側から2次元の光信号を出射するようにし、かつ
駆動電圧を記憶させ、透過率の電圧依存性を制御するこ
とを特徴とする光変調方法。
9. A transparent electrode of the bistable spatial light modulator according to claim 1, wherein the transparent electrode has a simple matrix structure, and an AC drive voltage is applied between the two transparent electrodes. ,
In addition, it is preferable that a two-dimensional optical signal is incident from the liquid crystal layer side, a two-dimensional optical signal is emitted from the photoconductive layer side, a driving voltage is stored, and voltage dependency of transmittance is controlled. Characteristic light modulation method.
【請求項10】請求項1,2,3および4のいずれかに記載
の双安定型空間光変調器の前記2枚の透明電極間に交流
駆動電圧を印加し、かつ前記液晶層側および前記光伝導
層側からそれぞれ2次元の光信号を入射し、前記光伝導
層側から2次元の光信号を出射するようにし、前記駆動
電圧の振幅または周波数、前記液晶層および前記光伝導
層側からの入射光の中の3種を制御し、かつ初期配向時
における前記液晶の光軸と前記偏光層および前記液晶層
側からの入射光の偏光方向とのなす角度および初期配向
時の前記液晶の複屈折率に基づく光学的位相差を制御す
ることにより、光入出力特性,透過率の前記駆動電圧の
周波数に対する依存性,透過率の光伝導層側からの入射
光依存性,透過率の前記駆動電圧の振幅に対する依存性
を制御することを特徴とする光変調方法。
10. The bistable spatial light modulator according to claim 1, wherein an AC drive voltage is applied between said two transparent electrodes, and said liquid crystal layer side and said liquid crystal layer side are connected to each other. A two-dimensional optical signal is incident from the photoconductive layer side, and a two-dimensional optical signal is emitted from the photoconductive layer side. The amplitude or frequency of the driving voltage, the liquid crystal layer and the photoconductive layer side And the angle between the optical axis of the liquid crystal at the time of the initial alignment and the polarization direction of the incident light from the polarizing layer and the liquid crystal layer side, and the liquid crystal at the time of the initial alignment. By controlling the optical phase difference based on the birefringence, the light input / output characteristics, the dependence of the transmittance on the frequency of the drive voltage, the dependence of the transmittance on the incident light from the photoconductive layer side, and the transmittance Controls the dependence of drive voltage on amplitude. Light modulation method according to.
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