JP4043260B2 - 光路切替装置、空間光変調器および画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光路切替装置の製造方法、光路切替装置、空間光変調器および画像表示装置に関し、より詳細には、入射光の反射方向を変化させることによって光路を変え、光をスイッチングする光路切替装置の製造方法、光路切替装置、それを用いた空間光変調器及び画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射光の反射方向を変化させることによって光路を変え、光をスイッチングするデバイスおよびそれを用いた空間光変調器として、例えば特開平５−１９６８８０号公報に示されるような微小な回転鏡を二次元状に多数配列したものが知られている。図１９は従来の空間光変調器の平面図であり、方形トーションビーム反射表面８０とビーム支持ポスト８１のみが観察される。図２０は図１９におけるひとつの回転鏡の断面図で、図２０（Ａ）はヒンジに沿っての断面図、図２０（Ｂ）はそれと直角方向の断面図である。ビーム支持ポスト８１はポスト９３に連結されたヒンジ９１の捻れによって、ビーム８０を接地電極９２に向けて回転可能にする。その駆動力はポスト９４によって支持されたアドレス電極９５に印加される電圧で与えられる。アドレス電極９５への電圧印加は、基板層１０２に設けられたＣＭＯＳ回路（図示せず）の信号を金属層１０１を介して伝達することにより行われる。ビーム８０の回転状態を回転鏡ごとに変えることによって、入射した光を二次元的に空間変調することができる。
この方式においては、大きな回転角を得るために回転鏡の構造が複雑になっており、製造コストが高くなるという問題がある。
【０００３】
そのほかの技術として、特開平１１−２０２２２２号公報に開示されている光スイッチング素子がある。図２１は特開平１１−２０２２２２号公報で提案されている光スイッチング素子の動作説明図である。光を全反射して伝達可能な全反射面１２１を備えた導光部１２０と、全反射面に対し抽出面１３１を接近させてエバネッセント光を捉え、それを反射して出射することができるプリズム１３２と、この光スイッチング部を駆動する駆動部１４０とを光の出射方向に対してこの順番で積層した構成となっている。図２１の右側のセルは、駆動部１４０を動作させることによってプリズム１３２がエバネッセント光の漏出する抽出距離以上離れた位置にある状態を示している。この時には、導光部１２０中を伝搬してきた光線１１０は図２１に示されるように全反射面１２１で全反射され光線１１１として図の右方向へと出射していく。駆動部１４０を動作させない時には図２１の左側のセルのようにプリズム１３２はエバネッセント光が漏出する抽出距離以下に近接しているので、導光部１２０中を伝搬してきた光線１１０は図２１の左側のセルに示されたように全反射面１２１で反射することなくプリズム１３２に進入する。プリズム１３２に進入した光線はプリズムの反射面１３２ａで反射して図２１に示した光線１１２のように導光部１２０を透過して出射される。
【０００４】
この方式において、エバネッセント光の抽出・非抽出という２つの状態をスイッチングするには、光の波長程度以下の微小な変位でよいため比較的簡単な駆動機構を採用することができるが、図２１に示したようなプリズム１３２の構造は複雑であるため、複数個を微小なサイズで基板上に均一に形成するのは困難であり、そのため製造歩留まりが低下し、コストアップにつながるという問題がある。また、プリズム１３２を全反射面１２１に近接させるとファンデルワールス力あるいは液架橋力が作用して、引き剥がしが困難になるという問題もある。
【０００５】
さらに別の技術として、特開２０００−１７１８１３号公報に開示されている光スイッチング素子がある。図２２は特開２０００−１７１８１３号公報で提案されている光スイッチング素子の概略構成を示す図である。全反射により光を伝えている導光体１５１に接触させた液晶１５４に電圧を印加することにより、液晶分子の配向をコントロールし、それにより実効的な屈折率を異常光に対する値と常光に対する値の間で変化させる。この結果、入射光（直線偏光）１５３が全反射光１５６として出射される状態と、透過光となったのち反射膜１５２によって向きを変えられて反射光１５５として出射させる状態とをスイッチングすることができる。
この方式においては、機械的な駆動部を持たないために上述のような問題は生じないが、液晶分子の配向は必ずしも理想的な状態にはならないため、Ｓ／Ｎ比がそれほど高くならないという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では上記問題点を解決し、構造が簡単で、耐久性が高く、Ｓ／Ｎ比の高い光路切替装置の製造方法、光路切替装置、空間光変調器、およびそれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。より具体的には、
（１）構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項１）、
（２）さらにＳ／Ｎ比を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項２）、
（３）より低コストで信頼性の高い光路切替装置を提供すること（請求項３）、
（４）上記に加え、よりＳ／Ｎ比を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項４）、
（５）上記に加え、製造が容易な光路切替装置を提供すること（請求項５）、
（６）上記に加え、駆動エネルギーを小さくできる光路切替装置を提供すること（請求項６）、
（７）さらに製造が容易で、光利用効率を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項７）、
（８）上記に加え、応答速度の速い光路切替装置を提供すること（請求項８）、
（９）上記に加え、光損失の小さい光路切替装置を提供すること（請求項９）、
（１０）上記に加え、さらに光利用効率を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項１０）、
（１１）さらに応答速度の速い光路切替装置を提供すること（請求項１１）、
（１２）構造が簡単で耐久性が高く、Ｓ／Ｎ比の高い空間光変調器を提供すること（請求項１２）、
（１３）上記に加え、より低コストな空間光変調器を提供すること（請求項１３）、
（１４）耐久性が高く、コントラスト比の高い画像表示装置を提供すること（請求項１４）、
（１５）上記に加え、より低コストな画像表示装置を提供すること（請求項１５）、
をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有し、該光路切替素子は、導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された前記屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備するとともに、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が概ね最小となるように該直線偏光の偏光軸方向が予め設定されている光路切替装置において、前記直線偏光を入射させる手段は、偏光ビームスプリッタであって、該偏光ビームスプリッタから出射させた直線方向の偏光軸方向を任意に選択できるように光軸を中心に該偏光ビームスプリッタを回転可能としたものであることを特徴としたものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記光出射部において前記導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項の発明において、前記光入射部に光学的接合し、前記導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたことを特徴としたものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項の発明において、前記反射部が、前記屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることを特徴としたものである。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶からなることを特徴としたものである。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体からなることを特徴としたものである。
【００１７】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記液晶が入射光の波長の１／５以下の粒径を有するドロップレットであることを特徴としたものである。
【００１８】
請求項１０の発明は、請求項７乃至９のいずれか一項の発明において、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることを特徴としたものである。
【００１９】
請求項１１の発明は、請求項７乃至１０のいずれか一項の発明において、前記液晶が二周波駆動液晶であることを特徴としたものである。
【００２０】
請求項１２の発明は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子が二次元アレイ状に配列されていることを特徴としたものである。
【００２１】
請求項１３の発明は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子が一次元アレイ状に配列されていることを特徴としたものである。
【００２２】
請求項１４の発明は、請求項１２に記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影し表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００２３】
請求項１５の発明は、請求項１３に記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器から出射した光線を該空間光変調器の光路素子の整列方向に対して垂直な方向に走査する走査機構と、走査機構から出射した光線をスクリーンに投影し表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（構成・動作）
本発明の特徴は、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光入射させる手段とを有し、該光路切替素子は、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備する光路切替装置であって、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が最小となるように該直線偏光の偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）が予め設定されていることを特徴とする光路切替装置にある。
【００２５】
ここで、導光部材の屈折率をｎ1、屈折率可変物質の屈折率をｎ2とし、導光部材中を透過する光が光入射部を構成する面の法線とのなす角度（入射角）をθ1、入射光が屈折率可変物質中に進入する際に前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度（屈折角）をθ2とすると、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。
ｓｉｎθ2／ｓｉｎθ1＝ｎ1／ｎ2…（１）
外部信号によってｎ2が変化すると、式（１）に従ってθ2が変化し、その結果、反射部での反射角が変わる、あるいはｎ2がｎ1よりも小さくなり以下の式（２）を満足する場合には、入射光は導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射する。
ｎ1ｓｉｎθ1＞ｎ2 …（２）
これにより所定の位置で光出力を検出すれば、ｎ2の変化に伴って光出力が変化することになり、信号印加による光スイッチングが可能となる。
【００２７】
本発明では、上記作用をする光路切替素子と該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有する光路切替装置において、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が概ね最小となるように該直線偏光の偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）が予め設定されているようにしたので、特に屈折率可変物質の屈折率が入射光の偏光軸方向、すなわち電場ベクトルの振動方向に依存する場合には、所望の屈折率となるように偏光軸方向を調整することができ、その結果Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
【００２８】
上記を実現するために、直線偏光を入射させる手段が偏光軸方向を任意に選択できるように光軸を中心に回転可能であるものとすることにより、偏光軸方向の調整を容易とし、オフ時の出力を小さくすることができ、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる（請求項１）。
【００２９】
また、信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うので、高いＳ／Ｎ比を得ることができる（請求項２）。
【００３０】
また、信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことで、導光部材の屈折率の制約が少ないため、安価な材料を用いてデバイスおよびシステムを実現することができる（請求項３）。
【００３１】
上記において、信号による屈折率可変物質の屈折率変化を、反射部で反射した光が光出射部において導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことが好ましい。この場合、θ2の変化量に比べて出射角の変化量が非常に大きくなり、さらに高いＳ／Ｎ比が得られる（請求項４）。
【００３２】
また、光入射部に光学的接合し、導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けることが製造の容易さから好ましい。この場合、平板導光体と反射部とこの間に封入された屈折率可変物質とによって構成されるデバイスを作製した後に、導光部材を光学的接合させればよいので、複雑な形状の導光部材を用いてデバイスを作製するよりは格段に製造が容易となる。光学的接合とは、両部材間の間隙が使用する光の波長に比べて充分に小さいほどに密着している状態であって、具体的には流動性のある物体を両者間に介在させることによって得ることができる。流動性のある物体は両部材との密着を確保した後に固化しても構わない。より具体的には流動性のある物体として、屈折率が概略導光部材および平板導光体と等しい揮発性の低い液体（屈折率整合液）あるいは光硬化性接着剤を用いるのが好適である（請求項５）。
【００３３】
さらに、反射部が、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることが好ましい。このようにすることによって反射部から光入射部までの距離を小さくすることができるので、駆動エネルギーを小さくすることができる（請求項６）。
【００３４】
屈折率可変物質としては、外部からエネルギーを与えることによって屈折率が変化するものであれば使用可能であるが、制御のしやすさから電界によって屈折率が変化する、いわゆる電気光学材料が好適に使用できる。電気光学材料としては、ポッケルス効果を示すＬｉＮｂＯ3やカー効果を示すＢａＴｉＯ3やＰＬＺＴなどの固体結晶、液晶などが知られているが、中でも電界強度当たりの屈折率変化量が大きいことおよび流動性があることから液晶が好ましい。屈折率変化量が大きいことにより、入射角θ1を小さくすることができる、あるいは角度マージンを大きくすることができる。その結果光損失を小さく、すなわち光利用効率を高くすることができる。また、流動性があることにより導光部材（あるいは平板導光体）および反射部への光学的接触を容易に実現することができる（請求項７）。
【００３５】
屈折率可変物質として、液晶／高分子複合体を用いることが応答速度の点から好ましい。このような液晶／高分子複合体として、液晶ドロップレットを高分子マトリクス中に分散した、いわゆる高分子分散液晶が好適に使用できる。高分子分散液晶の応答速度は液晶ドロップレットの粒径を小さくするにつれて速くなることが実験的にわかっており、特に入射光の波長の１／５以下の粒径にすることが、散乱が減少し光透過率が高くなる、すなわち光損失が著しく小さくなることから好ましい。なお、ここでいう粒径とは構造体を代表する粒径であって、通常は電子顕微鏡写真等によって計測された平均粒径が好適に使用される（請求項８、９）。
【００３６】
上記の液晶は電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることが好ましい。この方向を電圧印加時に液晶分子が揃う方向（電界方向）とほぼ直交させることにより大きな屈折率差が得られるため、入射角θ1を小さくすることができる、あるいは角度マージンを大きくすることができる。その結果光損失を小さく、すなわち光利用効率を高くすることができる（請求項１０）。
【００３７】
上記の液晶は二周波駆動液晶であることが好ましい。二周波駆動液晶とは液晶に印加する電圧の周波数によって液晶の誘電異方性の符号が異なる液晶で、高速な配向動作に特徴がある。誘電異方性とは液晶分子の長軸方向と短軸方向で誘電率が異なる性質で、電界を印加したときに誘電率の大きい方向が電界方向に向く。液晶分子の長軸方向の誘電率が短軸方向の誘電率よりも大きい時を誘電異方性が正とするので、誘電異方性が正の場合には液晶分子の長軸が電界方向に配向し、誘電異方性が負の場合には液晶分子の短軸が電界方向に配向する。二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向させる場合でも、短軸を電界方向に配向させる場合でも、液晶分子にローレンツ力が作用するため、ネマティック液晶など通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に行われるので、応答速度を速くすることができる（請求項１１）。
【００３８】
本発明の光路切替素子を一次元もしくは二次元に配列することで空間光変調器を構成することができる。このような空間光変調器は構造が簡単であるため、耐久性が高く安価で、かつＳ／Ｎ比が高くなる。一次元に配列した空間光変調器は光路切替素子の配列方向に垂直な方向に走査する走査機構を用いることで二次元の空間光変調ができるが、一次元の空間光変調器は二次元の空間光変調器に比べて安価であるため、より低コストとなる（請求項１２、１３）。
【００３９】
上記の空間光変調器と、光線入射手段および空間光変調器により形成した画像をスクリーンに拡大投影する手段を設けることにより、耐久性が高く安価で、コントラスト比の高い画像表示装置を構成することができる（請求項１４、１５）。
【００４０】
以下に本発明の実施形態を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同一の符号を付けその繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子は、ガラス、プラスチック等からなる光学的に透明な導光部材１を介して光源からの光線を屈折率可変物質５に入射させる光入射部３、反射部６で反射した光線を導光部材１の外部へと出射させる光出射部４を有している。反射部６は入射光を実質的に出射光に変換する反射面１４と、これと一辺を共有する逆傾斜面１６によって構成される。反射部６を含む反射部材１５はＳｉ、ガラス等からなる基板９上にガラス、プラスチックまたは酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等のセラミックス等からなる絶縁体８で傾斜面を形成した後、傾斜面にＡｌ、Ａｇ等からなる高反射率の金属膜７を真空蒸着、スパッタリング等の公知の方法で形成して得ることができる。また、必要に応じてフォトリソエッチングによりパターンニングしてもよい。この金属膜７は電極としても作用する。基板９には金属膜７に情報に応じた信号電圧を印加するための駆動素子１７が形成され、情報データを電圧信号に変換するインターフェース部１８に接続される。反射部６としては、絶縁体８が基板９を兼ねる構成や金属板あるいは半導体ウエハを基板として直接傾斜面を形成する構成等も可能である。好適な傾斜面形成方法の一例を挙げれば、面積階調もしくは濃度階調のパターンを形成したフォトマスクを用いてパターンニングしてドライエッチングを行う異方性エッチング法がある。屈折率可変物質５としては、液晶が好適に使用できる。液晶材料としてはネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは２種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。光入射部３には屈折率可変物質５に電圧を印加するためのＩＴＯ等からなる透明電極１０が設けられている。液晶分子を予め配向させるためにＳｉＯ、ポリイミド等からなる図示しない配向膜を少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。屈折率可変物質５が液晶のように流動性のある材料からなる時には、必要に応じてスペーサ材を混合したエポキシ樹脂等からなるシール剤１１を形成して、保持するのがよい。作製工程の一例を示せば、導光部材１（もしくは反射部材１５）の周辺部に熱硬化性のエポキシ樹脂を一部に開口部（注入孔）を残して印刷した後、反射部材１５（もしくは導光部材１）を貼り合わせて加熱硬化する。注入孔から液晶を注入した後、孔を接着剤で塞げば完成する。
【００４１】
図１（Ａ）は屈折率可変物質５の屈折率ｎ2が導光部材１の屈折率ｎ1より小さく、前述の式（２）を満たすような信号電圧Ｓ1を印加した場合で、入射光は光入射部３で全反射し、光出射部４とは異なる方向に出射するため、光出射部４に対向して設けられた光検出器１３では検出されない（オフ状態）。
また図１（Ｂ）はｎ2がｎ1と概略同程度となるような信号電圧Ｓ2を印加した場合で、入射光は屈折率可変物質５中に進入し、反射部６に到達する。反射面１４の法線と光入射部３を構成する面の法線とのなす角度、すなわち反射面１４の傾斜角αをα＝θ2／２（≒θ1／２）に設定しておけば、反射光は光出射部４に垂直に入射し出射するため、光検出器１３で検出される（オン状態）。
【００４２】
屈折率可変物質５が液晶のように分子軸に対して屈折率の異方性を有する場合には、図１（Ａ）のように液晶分子１２が光入射部３を構成する面（入射面）に平行で紙面に垂直な方向に配向している時、直線偏光入射手段２によってＰ偏光（電場ベクトルの振動方向が紙面に平行な直線偏光）を入射させると最も小さい屈折率を感じることになるが、実際には液晶分子の配向は完全に入射面に平行にはならず、また電圧印加による配向変化をスムーズに行うために平行から少し立たせた（プレチルト）状態に初期配向を設定することもある。直線偏光入射手段２を、偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）を任意に選択できるように光軸を中心に回転可能なものとすることにより、液晶分子の初期配向状態が変化してもそれに応じて最も小さい屈折率を感じるように偏光軸方向が選択でき、その結果オフ時の出射光出力を小さくすることができる。この際にオン時（図１（Ｂ）の時）の出力はほとんど変動しないため、結果的にＳ／Ｎ比を高くすることができる。
具体的には図１（Ａ）の状態で直線偏光入射手段２によって偏光軸方向を変えながら光検出器１３で出力（漏れ光）を検出し、概ね最も出力が小さくなる位置に偏光軸を固定する。以降はその状態で動作を行う。
【００４３】
図１８は、上記実施形態における光路切替装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。ここでは、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、その光路切替素子に直線偏光を入射させる手段を用意する。光路切替素子は、上述のごとくに、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備するものである。図１８において、まず、出射光の出力を最小とすべき信号を光路切替素子の屈折率可変物質に付与し（ステップＳ１）、このときの出射光の出力を光検出器で検出する（ステップＳ２）。そして検出した出射光の出力が最も小さくなるように入射光の偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）を調整する（ステップＳ３）。ここでは、光路切替素子と直線偏光の入射手段との相対的な関係が規定されればよいので、偏光軸方向を調整するために実際に位置調整を行なうのは、光路切替素子または直線偏光の入射手段のいずれであってもよい。そして調整した位置の偏光軸方向で光路切替素子に入射光が入射するように、光路切替素子及び直線偏光の入射手段を固定し（ステップＳ４）、この状態で実用に供する。
【００４４】
実施の形態２
図２は、本発明の第２の実施形態を説明するための図である。反射面１４および逆傾斜面１６はＳｉ基板９の（１１０）面異方性エッチングにより作製した。傾斜角度αは約３５°である。反射面１４と逆傾斜面１６の数は５００組（図２では３組のみを記載）で、ピッチ２０μｍ、紙面奥行き方向の長さ１０ｍｍで形成した。また、Ｓｉ基板は直接導光部材１と貼り合わせず、透明電極１０を有する平板導光体（ガラス基板）２０と貼り合わせた後、導光部材１と平板導光体２０とを屈折率整合液１９を介して接合した。図２において、２１は配向膜で、液晶分子１２が基板面にほぼ平行に配向する（実際には約４°のプレチルト角を有する）ようにラビング処理を施している。スペーサ材を混合したシール剤（光硬化性樹脂）１１により液晶の保持とギャップの制御（平坦部を約５μｍ、傾斜面底部を約１１μｍとした）を行った。
【００４５】
導光部材１および平板導光体２０としてフリントガラスＦ２（ｎｄ＝１.６２０）、液晶としてＺＬＩ１１３２（常光屈折率ｎｏ＝１.４９３，異常光屈折率ｎｅ＝１.６３２６，メルク社）を用いて、上記の素子を作製し、図３に示す装置により、出射光の出力を測定した。図３において、ランプ光源２３からの光線をコリメートレンズ２４でコリメートし、直線偏光入射手段として偏光ビームスプリッタ２５で偏光軸方向を変えながら導光部材１に入射させる。ここで光入射部３への入射角は７０°とした。そしてＳｉ基板で反射し、光出射部４から出射した光を集光レンズ２６で集光し、光パワーメータ２７で光出力を測定する。また図３において、２２は液晶層に印加する電圧を制御する電源である。電源２２からの電圧は平板導光体２０上の透明電極とＳｉ基板間に印加される。光パワーメータ２７は液晶層に充分な電圧を印加した時（オン時）に出射光出力が最も大きくなる位置に設置されている。図４は偏光軸の方向についての説明図で、図中、３０は入射光軸、３１は偏光軸である。図４（Ａ）は図２の光路切替素子を正面から見たときの偏光の状態を示し、図４（Ｂ）は右側面から見たときの偏光の状態を示している。図４（Ｂ）において光入射部３を構成する面（入射面）と偏光軸とのなす角度をψとするとψ＝９０°の時がＰ偏光である。図５はψを変化させた時の初期状態（オフ時＝印加電圧０Ｖ）の出射光出力で、ψ＝８６°付近に極小値を持つ。その値は９０°（Ｐ偏光）の時に比べて１桁小さくなっている。一方、オン時（印加電圧３０Ｖ）の出射光出力はψによってほとんど変化しないため、ψ＝８６°の時には９０°に比べてＳ／Ｎ比が１桁高くなった。
また、この素子の場合、アクティブなエリアは１０ｍｍ×１０ｍｍ程度であり、１組の傾斜面と逆傾斜面で形成すると、傾斜面底部のギャップ＞３.５ｍｍとなりｋＶオーダの駆動電圧が必要となる。本実施形態のように単位要素に対して複数組の面を設けることにより、駆動電圧が低減できる。
【００４６】
（実施の形態３）
図６は、本発明の第３の実施形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子の基本的な構成は、第１の実施形態と同様であるが、導光部材と、屈折率可変物質５との界面で全反射しないように材料、形状を変えている。図６（Ａ）は屈折率可変物質５の屈折率ｎ2が導光部材１の屈折率ｎ1より大きい場合で、屈折角θ2は式（１）に従って入射角θ1より小さくなる。反射面１４の法線と光入射部３を構成する面の法線とのなす角度、すなわち反射面１４の傾斜角αをα＝θ1／２に設定し、光入射部３を構成する面と光出射部４を構成する面とのなす角度をβとすると、反射面で反射した光は光出射部４に対してφ1≒β＋θ1−θ2の角度で入射するので、導光部材１に接触している外部物質２８が空気（ｎａ＝１）の場合にはｎ1ｓｉｎ（β＋θ1−θ2）＞１、すなわちθ2＜β＋θ1−ｓｉｎ-1（１／ｎ1）を満たせば全反射して光吸収膜２９で吸収される。図６（Ｂ）はｎ2がｎ1と概略同程度の場合でθ2はθ1にほぼ等しいため、反射光は光出射部４に対して概略φ1’＝βの角度で入射し、出射角φ2＝ｓｉｎ-1（ｎ1ｓｉｎβ）で出射する。図６（Ｂ）の出射光が検出面に垂直に入射するように光検出器１３を設置すると、図６（Ｂ）の場合には検出される（オン状態）が、図６（Ａ）の場合にはほとんど検出されない（オフ状態）。
【００４７】
具体的な例として、導光部材１をクラウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）で作製し、屈折率可変物質５をネマティック液晶Ｅ７（常光屈折率ｎｏ＝１.５２２，異常光屈折率ｎｅ＝１.７４６）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図６（Ａ）のように光入射部３を構成する面（入射面）に平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。図６（Ａ）の状態で直線偏光入射手段２によってＳ偏光（電場ベクトルの振動方向が紙面に垂直な直線偏光）を入射させると最も大きい屈折率（ｎ2＝ｎｅ＝１.７４６）を感じることになり、図６（Ｂ）の状態では最も小さい屈折率（ｎ2＝ｎｏ＝１.５２２）を感じることになる。θ1＝７０°、α＝３５°、β＝３０°に設定すると、図６（Ａ）の時θ2≒５５°となり、θ2＜β＋θ1−ｓｉｎ-1（１／ｎ1）を満たすので、光出射部４で全反射する。図６（Ｂ）の時にはθ2≒７０°であるので、反射光は光出射部４に対して概略φ1’＝３０°の角度で入射し、φ2＝４９°の角度で出射する。しかしながら、実際には液晶分子の初期配向は完全に入射面に平行にはならず、また電圧印加による配向変化をスムーズに行うために平行から少し立たせた（プレチルト）状態に初期配向を設定することもある。直線偏光入射手段２を、偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）を任意に選択できるように光軸を中心に回転可能なものとすることにより、液晶分子の初期配向状態が変化してもそれに応じて最も大きい屈折率を感じるように偏光軸方向が選択でき、その結果オフ時の出射光出力を小さくすることができる。この際にオン時（図６（Ｂ）の時）の出力はほとんど変動しないため、結果的にＳ／Ｎ比を高くすることができる。
【００４８】
上記の材料を用いて、第２の実施形態と同様の方法で素子を作製し、出射光の出力を測定した。図７は偏光軸の方向についての説明図で、図７（Ａ）は、図６に示す光路切替素子を正面から見たときの偏光の状態を示し、図７（Ｂ）は右側面から見たときの偏光の状態を示している。図７（Ｂ）において光入射部３を構成する面（入射面）と偏光軸とのなす角度をψとするとψ＝０°の時がＳ偏光である。図８はψを変化させた時の初期状態（オフ時＝印加電圧０Ｖ）の出射光出力で、ψ＝５°付近に極小値を持つ。その値は０°（Ｓ偏光）の時に比べて３０％程度小さくなっている。一方、オン時（印加電圧３０Ｖ）の出射光出力はψによってほとんど変化しないため、ψ＝５°の時には０°に比べてＳ／Ｎ比が３０％程度高くなった。
【００４９】
（実施の形態４）
図１３は、本発明の第４の実施形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子は、屈折率可変物質５として、高分子分散液晶を用いる以外は第１の実施形態と同様の構成である。高分子分散液晶は高分子マトリクス５０中に液晶ドロップレット５１が分散されてなる。液晶材料としてはネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは２種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。高分子マトリクス材料としては透明なポリマーが好ましく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれであってもよい。高分子分散液晶の製法としては、（１）液晶と熱あるいは光硬化（重合）性モノマーやオリゴマーもしくはプレポリマで溶液を作り、重合によって相分離させる重合相分離法、（２）液晶と高分子と溶剤で溶液を作り、溶剤を蒸発させることによって相分離させる溶媒蒸発相分離法、（３）液晶と熱可塑性高分子を加熱溶解させた後、冷却によって相分離させる熱相分離法などを用いることができる。
【００５０】
ポリマーとしては、製造工程の容易さ、液晶相との分離性等の点から紫外線硬化型の樹脂を用いるのが好ましい。具体的な例として紫外線硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に紫外線照射によって重合硬化するアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するものが好ましい。このようなモノマーまたはオリゴマーとしては（ポリ）エステルアクリレート、（ポリ）ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリブタジエンアクリレート、シリコーンアクリレート、メラミンアクリレート、（ポリ）ホスファゼンメタクリレート等がある。その他の例として、チオール−エン系も光硬化速度が速いことから好適に使用できる。
重合を速やかに行うために光重合開始剤を用いてもよく、この例としてジクロロアセトフェノンやトリクロロアセトフェノン等のアセトフェノン類、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンゾイル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、モノサルファイド、チオキサントン類、アゾ化合物、ジアリルヨードニウム塩、トリアリルスルフォニウム塩、ビス（トリクロロメチル）トリアジン化合物等を挙げることができる。
【００５１】
この紫外線硬化性化合物中に液晶材料を均一に溶解させた液状物を反射部材１５と導光部材１間に注入した後、紫外線照射を行うことによって紫外線硬化性化合物を硬化させると同時に液晶材料を相分離させ、高分子分散液晶層を形成する。
液晶ドロップレットサイズと応答速度の関係について詳細に調べた結果を以下に示す。高分子分散液晶における液晶ドロップレットの大きさは、プレポリマの組成、液晶の混合濃度、硬化時の紫外線強度等を変えることによって変化させることができる。図９は液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係を示したものである。液晶材料はＥ７およびＢＬ２４（ｎｏ＝１.５１３，ｎｅ＝１.７１７，メルク社）、プレポリマはＮＯＡ６０，６５および８１（ノーランド社）を適宜用いた。応答速度の測定は図１０に示す装置を用いて、試料４０にパルス電圧（２００Ｖ）を印加した時の光出力の立ち上がり時間（Ｔｏｎ）と立ち下がり時間（Ｔｏｆｆ）の合計を測定した。なお、図１０において、４１はレーザ、４２は偏光子、４３，４４はレンズ、４５は検光子、４６はパワーメータ、４７はＳｉ基板、４８はＡｕ電極、４９は高分子分散液晶層である。また試料４０は高分子分散液晶層４９の厚さを２０μｍ、光路長を１ｍｍとした。高分子分散液晶に電界が印加されていない時と印加されている時の様子を図１１に模式的に示す。電界が印加されていない時には液晶ドロップレットの向きはランダムであるので、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の屈折率はどれも等しく、層全体が光学的に等方な媒体になっている。ｚ軸方向に電界５２を印加すると、液晶分子の分子軸がこの方向にそろうため、ｚ軸方向の屈折率は大きくなり、ｘ軸およびｙ軸方向の屈折率はお互いに等しいまま、その大きさが小さくなる。図１０のように光が電界方向とは垂直のｘ軸方向から入射される場合、ｙｚ平面に複屈折が生じるために偏光状態を変化させることができ、検光子を通した光出力が変化する。本発明ではこのような複屈折現象は利用しないが、電界印加時の液晶分子の挙動とそれに伴う屈折率変化を利用するので、図９の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図９から液晶ドロップレットサイズが小さくなるにつれて応答速度が速くなることがわかる。
【００５２】
さらには、液晶ドロップレットの粒径を入射光の波長の１／５以下、より望ましくは１／１０以下にすることが光透過率の観点から好ましい。以下にレイリー散乱理論から光透過率を計算した結果を示す。体積Ｖの球形散乱体が数密度Ｎで存在する場合、厚さＬの媒体の光透過率Ｔは下記式（３）のように表される。
Ｔ＝ｅｘｐ（−ＮＲＬ），Ｒ＝２４π3（（ｍ2−１）／（ｍ2＋２））2Ｖ2／λ4 …（３）
ここで、Ｒは散乱断面積、ｍは散乱体の屈折率と媒体の屈折率の比、λは使用する光の波長である。ｍ＝１.０７、Ｌ＝１００μｍとした時の透過率Ｔを散乱体すなわち液晶ドロップレットの粒径ｄ、体積分率（＝ＮＶ）および波長λをパラメータとして計算した。式からわかるようにｄが大きくなる（すなわちＶが大きくなる）ほど、またλが小さくなるほどＴが減少する。また、透過率としては、９０％（Ｔ＝０.９）以上であることが光利用効率の点から好ましい。図１２はＴ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％（ｄ（０.１））、３０％（ｄ（０.３））および５０％（ｄ（０.５））の場合について、波長に対してプロットしたものである。体積分率が小さいと屈折率変化量が小さくＳ／Ｎ比がとれなくなるので、体積分率は１０％以上が好ましく、５０％程度がより好ましい。これ以上の体積分率では作製が極めて困難になる。この観点から、図１２より、光路切替素子として適用される可視〜赤外領域の波長に対しては、ｄがλ／５以下であるのが好ましく、λ／１０以下であることがより好ましい。なお、この計算ではｍおよびＬを固定したが、実デバイスにおいてこれ以下の値であると考えられるため、上記の粒径範囲であれば問題はない。
【００５３】
具体的な高分子分散液晶の例として、ネマティック液晶ＢＬ２４（ｎｏ＝１.５１３，ｎｅ＝１.７１７，メルク社）を紫外線硬化性プレポリマＮＯＡ８１（ノーランド社）に溶解（液晶重量濃度４５％）し、紫外線（４００ｍＷ／ｃｍ2）を照射したもの（液晶ドロップレットの平均粒径は約６０ｎｍ）を用い、導光部材１をフリントガラスＳＦ２（ｎｄ＝１.６４８）とし、入射角θ1＝７５°とした。図１３（Ａ）の時（Ｓ1＝０Ｖ）にはドロップレット５１中の液晶分子は光入射部３に対してほぼ平行で紙面に垂直な方向に配向しており、直線偏光入射手段２によって出射光出力が最も小さくなるように偏光軸を調整した場合、高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.５２）と高分子マトリクスの屈折率（≒１.５６）との体積平均（≒１.５５）と見なすことができる（液晶の体積分率を約３５％と見積もった）。この時、式（２）を満足するので入射光は光入射部３で全反射する。
【００５４】
図１３（Ｂ）の時には液晶分子が電界方向に配列し、上記偏光に対する高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.７０）と高分子マトリクスの屈折率（≒１.５６）との体積平均（≒１.６１）と見なすことができる。この時屈折角θ2は８１°となり、α＝４０.５°に設定しておけば反射光は出射部４からほぼ垂直に出射し、光検出器１３で検出される。
図１３（Ａ）の状態と図１３（Ｂ）の状態との間のスイッチング時間は数１０μｓのオーダが得られ、この値はバルク液晶に比べ２桁以上高速になっている。
【００５５】
液晶分子を予め一方向に配列させる方法として、前述のような配向膜を用いる方法以外に以下に示すような方法を用いることも可能である。高分子マトリクス材料を重合する際に電界を印加することで、液晶を一方向に配向することができる。この時、液晶に接しているプレポリマは液晶の配向に引きずられて同じ方向に配向する。この状態でプレポリマを重合すると液晶との界面は液晶の配向に倣った形で固定される。この界面構造は液晶に対して配向膜として機能するため、高分子マトリクス材料が硬化した後に電界を解除しても、液晶は重合時に印加していた電界方向に揃うことになる。また、電界の代わりに磁界を用いる方法も好適に使用できる。
【００５６】
（実施の形態５）
本発明の第５の実施形態を図１および図１４に基づき説明する。本実施形態の基本的な素子構造は第１の実施形態と同様であるが、屈折率可変物質５として二周波駆動液晶を用いている。
図１４は、二周波駆動液晶の誘電異方性の周波数特性を示す図である。印加電圧の周波数が高くなり、クロスオーバ周波数ｆｃを越えると誘電異方性が負となる。クロスオーバ周波数以下の周波数ｆ１の電圧を印加した場合には液晶分子が電界方向に配向する（図１（Ｂ））。クロスオーバ周波数以上の周波数ｆ2の電圧を印加すると、液晶の長軸は電界にほぼ垂直な方向すなわち光入射部３にほぼ平行な方向に配向するが、予め配向処理を行うことで面内での向きを紙面垂直方向に揃えることができる（図１（Ａ））。
【００５７】
二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向させる場合でも、短軸を電界方向に配向させる場合でも、液晶分子にローレンツ力が作用するため、ネマティック液晶など通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に行われる。例えば、図１（Ｂ）の状態から図１（Ａ）の状態に切り替える際に、通常のネマティック液晶では電圧を０Ｖにした時の配向規制力による戻りを利用するため、応答に数ｍｓ〜数１０ｍｓを要するが、二周波駆動液晶を用いて高周波電界で強制的に配向変化を起こさせる場合には１ｍｓ以下での応答が可能となる。
【００５８】
二周波駆動液晶としては、例えば、２，３−ジシアノ−４−ペンチルオキシフェニル−４−（トランス−４−エチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４ペンチルオキシフェニル−トランス−４−プロピル−１−シクロヘキサンカルボキシラート、２，３−ジシアノ−４−エトキシフェニル−４−（トランス−４−ペンチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４−エトキシフェニル−４−（トランス−４−ブチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４−ブトキシフェニル−４−（トランス−４−ブチルシクロヘキシル）ベンゾアートなどを用いることができる。
【００５９】
具体的な例として、導光部材１をフリントガラスＦ２（ｎｄ＝１.６２０）で作製し、屈折率可変物質５を二周波駆動液晶ＭＸ００１５４４（ｎｏ＝１.４８９，ｎｅ＝１.６２２，クロスオーバ周波数ｆｃ≒２０ｋＨｚ，メルク社）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図１（Ａ）のように光入射部３に対してほぼ平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。この状態で直線偏光入射手段２によって出射光出力が最も小さくなるように偏光軸を調整しておく。透明電極１０と金属膜７の間にクロスオーバ周波数以上の周波数ｆ2＝１００ｋＨｚの電圧Ｓ1を印加した状態（図１（Ａ））で、調整された偏光をθ1＝７０°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ2＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.５０２となるので、式（２）を満たし全反射する。クロスオーバ周波数以下の周波数ｆ1＝１ｋＨｚの電圧Ｓ2を印加した場合（図１（Ｂ））には、同じ光に対して液晶の屈折率はｎ2’＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.６０４となるので、式（２）を満たさず、入射光は屈折率可変物質（液晶）中を透過して反射面１４に到達する。屈折角θ2は７２°となるので、反射面１４の傾斜角α＝３６°に設定すると入射光は反射面で反射し、光出射部４からほぼ垂直に出射して光検出器１３で検出される。
【００６０】
（実施の形態６）
本発明の第６の実施形態を図１５および図１６に基づき説明する。図１５は一次元空間光変調器６０で、図１５（Ａ）はその斜視図、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）をＢ方向から見た図、図１５（Ｃ）は図１５（Ａ）をＣ方向から見た図である。本実施形態の基本的な構成は上記第１、第４または第５の実施形態と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜７が一次元アレイ状に配置されている。基板には各個別電極に接続され、それらに選択的に信号を供給するための駆動素子１７が設けられている。オフ時の出射光出力を図示しないモニタ用の光検出器で予め検出し、概ね最小値となるような偏光軸方向を直線偏光入射手段２によってセットする。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号を印加することによって、選択された個別電極（金属膜７）からの反射光のみが光出射部４から出射し、ライン状の光のＯＮ／ＯＦＦ（空間光変調）ができる。個別電極が配列している方向と垂直な方向に走査する走査装置とを組み合わせることで二次元の空間光変調ができる。また図１６に示すように、一次元空間光変調器６０の個別電極７への駆動信号供給とガルバノミラー等からなる走査機構６４の駆動を画像信号に基づいて制御し、得られた二次元空間光変調された光線を投影レンズ６５によってスクリーン６６に投影することで、画像表示装置を形成することができる。図１６において、光源６１にはレーザー、ＬＥＤ、ランプ等を用いることができる。また、コリメートレンズ６３を光インテグレータとしてもよく、これらの後段には図示しない偏光変換光学系を付与してもよい。
【００６１】
（実施の形態７）
本発明の第７の実施形態を図１７に基づき説明する。図１７は二次元空間光変調器７０の斜視図である。本実施形態の基本的な構成は上記第１、第４または第５の実施形態と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜７が二次元アレイ状に配置されている。基板には各個別電極に接続され、それらに選択的に信号を供給するための駆動素子（図示せず）が設けられている。オフ時の出射光出力を図示しないモニタ用の光検出器で予め検出し、概ね最小値となるような偏光軸方向を直線偏光入射手段２によってセットする。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号を印加することによって、選択された個別電極（金属膜７）からの反射光のみが光出射部４から出射し、面状の光のＯＮ／ＯＦＦ（空間光変調）ができる。この場合、空間光変調器だけで二次元の空間光変調ができるため、図１６のような走査機構は不要で、光出射部の外側に投影レンズを設置し、スクリーンに投影することで画像表示装置を形成することができる。
なお、図１５、図１７では導光部材１を共通にして一つにしているが、導光部材１を各光路素子ごとに分割しても構わない。また、上記一次元アレイ状の空間光変調器もしくは二次元アレイ状の空間光変調器を使った画像表示装置では、赤、緑、青など複数の波長の入射光を使い、時分割で各色の画像を表示したり（フィールドシーケンシャル方式）、複数の空間光変調器を設けて各色の画像を同時に投影することで、フルカラー画像を表示することもできる。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光路切替装置の製造方法によれば、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有する光路切替装置の製造方法であって、該光路切替素子は、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備する光路切替装置の製造方法において、前記出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えた時の該出射光の出力を光検出器で検出し、該検出した出射光の出力値が概ね最も小さくなるように入射光の偏光軸方向を調整し、該調整位置の偏光軸方向で前記光路切替素子に入射光が入射するように固定することにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比の高い光路切替装置の製造方法を提供することができる。
【００６３】
また本発明の光路切替装置によれば、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有し、該光路切替素子は、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備する光路切替装置であって、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が概ね最小となるように該直線偏光の偏光軸方向が予め設定されているようにすることにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。
【００６４】
さらに本発明の光路切替装置によれば、出射光の出力を最小とする信号を前記屈折率可変物質に与えた時の出射光の出力を検出し、その値が概ね最も小さくなるように入射光の偏光軸方向が調整されるようにすることにより、よりＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質の屈折率変化を、入射光が導光部材と屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うようにすることにより、さらにＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質の屈折率変化を、入射光が導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うようにすることにより、低コストで信頼性の高い光路切替装置を提供することができる。また、反射部で反射した光が光出射部において導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取るようにすることにより、上記に加え、よりＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。
【００６５】
さらに本発明の光路切替装置によれば、導光部材に光学的接合し、導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたので、上記に加え、製造が容易な光路切替装置を提供することができる。また、反射部が、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有することにより、駆動エネルギーを小さくできる光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質を液晶とすることにより、さらに製造が容易で、光利用効率を高くできる光路切替装置を提供することができる。
【００６６】
さらに本発明の光路切替装置によれば、屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体（高分子分散液晶）からなるようにすることにより、上記に加え、応答速度の速い光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質が高分子分散液晶からなり、液晶を入射光の波長の１／５以下の粒径を有するドロップレットとすることにより、上記に加え、光損失の小さい光路切替装置を提供することができる。また、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列しているようにすることにより、上記に加え、より光利用効率を高くできる光路切替装置を提供することができる。また、液晶として二周波駆動液晶を用いることにより、さらに応答速度の速い光路切替装置を提供することができる。
【００６７】
本発明の空間光変調器によれば、上記本発明に係る光路切替装置を二次元アレイ状に配列することにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比の高い空間光変調器を提供することができる。また、上記本発明に係る光路切替装置を一次元アレイ状に配列することにより、上記に加え、製造歩留まりが高く低コストな空間光変調器を提供することができる。
【００６８】
本発明の画像表示装置によれば、光路切替装置が二次元アレイ状に配列した空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影するようにすることにより、耐久性が高く、高コントラストな画像表示装置を提供することができる。また、光路切替装置が一次元アレイ状に配列した空間光変調器から出射した光線を垂直方向に走査してスクリーンに投影し、二次元画像を得るようにすることにより、より低コストな画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態を説明するための図である。
【図３】 素子の出射光の出力を測定するための装置を示す概略図である。
【図４】 偏光軸の方向についての説明図である。
【図５】 入射面と偏光軸とのなす角度を変化させたときの初期状態の出射光出力を示す図である。
【図６】 本発明の第３の実施形態を説明するための図である。
【図７】 偏光軸の方向についての説明図である。
【図８】 入射面と偏光軸とのなす角度を変化させたときの初期状態の出射光出力を示す図である。
【図９】 液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係を示した図である。
【図１０】 液晶ドロップレットの応答速度を測定するための装置を示す概略図である。
【図１１】 高分子分散液晶に電界が印加されていない時と印加されている時の様子を模式的に示す図である。
【図１２】 Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％、３０％および５０％の場合について波長に対してプロットした図である。
【図１３】 本発明の第４の実施形態を説明するための図である。
【図１４】 本発明の第５の実施形態を説明するための図で、二周波駆動液晶の誘電異方性の周波数特性を示す図である。
【図１５】 本発明の第６の実施形態を説明するための図で、一次元空間光変調器を示す図である。
【図１６】 本発明の第６の実施形態を説明するための図で、一次元空間変長器を用いた画像表示装置を示す図である。
【図１７】 本発明の第７の実施形態を説明するための図である。
【図１８】 光路切替装置の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１９】 従来の空間光変調器の一例の平面図である。
【図２０】 図１９におけるひとつの回転鏡の断面図である。
【図２１】 特開平１１−２０２２２２号公報で提案されている光スイッチング素子の動作説明図である。
【図２２】 特開２０００−１７１８１３号公報で提案されている光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１…導光部材、２…直線偏光入射手段、３…光入射部、４…光出射部、５…屈折率可変物質、６…反射部、７…金属膜、８…絶縁体、９…基板、１０…透明電極、１１…シール剤、１２…液晶分子、１３…光検出器、１４…反射面、１５…反射部材、１６…逆傾斜面、１７…駆動素子、１８…インターフェース部、１９…屈折率整合液、２０…平板導光体（ガラス基板）、２１…配向膜、２２…電源、２３…ランプ光源、２４…コリメートレンズ、２５…偏光ビームスプリッタ、２６…集光レンズ、２７…光パワーメータ、２８…外部物質、２９…光吸収膜、３０…入射光軸、３１…偏光軸、４０…試料、４１…レーザ、４２…偏光子、４３，４４…レンズ、４５…検光子、４６…パワーメータ、４７…Ｓｉ基板、４８…Ａｕ電極、４９…高分子分散液晶層、５０…高分子マトリクス、５１…液晶ドロップレット、５２…電界、６０…一次元空間光変調器、６１…光源、６３…コリメートレンズ、６４…走査機構、６５…投影レンズ、６６…スクリーン、７０…二次元空間光変調器、８０…方形トーションビーム反射面、８１…ビーム支持ポスト、９１…ヒンジ、９２…接地電極、９３，９４…ポスト、９５…アドレス電極、１０１…金属層、１０２…基板層、１１０…光線、１１２…光線、１２０…導光部、１２１…全反射面、１３１…抽出面、１３２…プリズム、１３２ａ…反射面、１４０…駆動部、１５１…導光体、１５２…反射膜、１５３…入射光（直線偏光）、１５４…液晶、１５５…反射光、１５６…全反射光。
【発明の属する技術分野】
本発明は光路切替装置の製造方法、光路切替装置、空間光変調器および画像表示装置に関し、より詳細には、入射光の反射方向を変化させることによって光路を変え、光をスイッチングする光路切替装置の製造方法、光路切替装置、それを用いた空間光変調器及び画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入射光の反射方向を変化させることによって光路を変え、光をスイッチングするデバイスおよびそれを用いた空間光変調器として、例えば特開平５−１９６８８０号公報に示されるような微小な回転鏡を二次元状に多数配列したものが知られている。図１９は従来の空間光変調器の平面図であり、方形トーションビーム反射表面８０とビーム支持ポスト８１のみが観察される。図２０は図１９におけるひとつの回転鏡の断面図で、図２０（Ａ）はヒンジに沿っての断面図、図２０（Ｂ）はそれと直角方向の断面図である。ビーム支持ポスト８１はポスト９３に連結されたヒンジ９１の捻れによって、ビーム８０を接地電極９２に向けて回転可能にする。その駆動力はポスト９４によって支持されたアドレス電極９５に印加される電圧で与えられる。アドレス電極９５への電圧印加は、基板層１０２に設けられたＣＭＯＳ回路（図示せず）の信号を金属層１０１を介して伝達することにより行われる。ビーム８０の回転状態を回転鏡ごとに変えることによって、入射した光を二次元的に空間変調することができる。
この方式においては、大きな回転角を得るために回転鏡の構造が複雑になっており、製造コストが高くなるという問題がある。
【０００３】
そのほかの技術として、特開平１１−２０２２２２号公報に開示されている光スイッチング素子がある。図２１は特開平１１−２０２２２２号公報で提案されている光スイッチング素子の動作説明図である。光を全反射して伝達可能な全反射面１２１を備えた導光部１２０と、全反射面に対し抽出面１３１を接近させてエバネッセント光を捉え、それを反射して出射することができるプリズム１３２と、この光スイッチング部を駆動する駆動部１４０とを光の出射方向に対してこの順番で積層した構成となっている。図２１の右側のセルは、駆動部１４０を動作させることによってプリズム１３２がエバネッセント光の漏出する抽出距離以上離れた位置にある状態を示している。この時には、導光部１２０中を伝搬してきた光線１１０は図２１に示されるように全反射面１２１で全反射され光線１１１として図の右方向へと出射していく。駆動部１４０を動作させない時には図２１の左側のセルのようにプリズム１３２はエバネッセント光が漏出する抽出距離以下に近接しているので、導光部１２０中を伝搬してきた光線１１０は図２１の左側のセルに示されたように全反射面１２１で反射することなくプリズム１３２に進入する。プリズム１３２に進入した光線はプリズムの反射面１３２ａで反射して図２１に示した光線１１２のように導光部１２０を透過して出射される。
【０００４】
この方式において、エバネッセント光の抽出・非抽出という２つの状態をスイッチングするには、光の波長程度以下の微小な変位でよいため比較的簡単な駆動機構を採用することができるが、図２１に示したようなプリズム１３２の構造は複雑であるため、複数個を微小なサイズで基板上に均一に形成するのは困難であり、そのため製造歩留まりが低下し、コストアップにつながるという問題がある。また、プリズム１３２を全反射面１２１に近接させるとファンデルワールス力あるいは液架橋力が作用して、引き剥がしが困難になるという問題もある。
【０００５】
さらに別の技術として、特開２０００−１７１８１３号公報に開示されている光スイッチング素子がある。図２２は特開２０００−１７１８１３号公報で提案されている光スイッチング素子の概略構成を示す図である。全反射により光を伝えている導光体１５１に接触させた液晶１５４に電圧を印加することにより、液晶分子の配向をコントロールし、それにより実効的な屈折率を異常光に対する値と常光に対する値の間で変化させる。この結果、入射光（直線偏光）１５３が全反射光１５６として出射される状態と、透過光となったのち反射膜１５２によって向きを変えられて反射光１５５として出射させる状態とをスイッチングすることができる。
この方式においては、機械的な駆動部を持たないために上述のような問題は生じないが、液晶分子の配向は必ずしも理想的な状態にはならないため、Ｓ／Ｎ比がそれほど高くならないという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では上記問題点を解決し、構造が簡単で、耐久性が高く、Ｓ／Ｎ比の高い光路切替装置の製造方法、光路切替装置、空間光変調器、およびそれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。より具体的には、
（１）構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項１）、
（２）さらにＳ／Ｎ比を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項２）、
（３）より低コストで信頼性の高い光路切替装置を提供すること（請求項３）、
（４）上記に加え、よりＳ／Ｎ比を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項４）、
（５）上記に加え、製造が容易な光路切替装置を提供すること（請求項５）、
（６）上記に加え、駆動エネルギーを小さくできる光路切替装置を提供すること（請求項６）、
（７）さらに製造が容易で、光利用効率を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項７）、
（８）上記に加え、応答速度の速い光路切替装置を提供すること（請求項８）、
（９）上記に加え、光損失の小さい光路切替装置を提供すること（請求項９）、
（１０）上記に加え、さらに光利用効率を高くできる光路切替装置を提供すること（請求項１０）、
（１１）さらに応答速度の速い光路切替装置を提供すること（請求項１１）、
（１２）構造が簡単で耐久性が高く、Ｓ／Ｎ比の高い空間光変調器を提供すること（請求項１２）、
（１３）上記に加え、より低コストな空間光変調器を提供すること（請求項１３）、
（１４）耐久性が高く、コントラスト比の高い画像表示装置を提供すること（請求項１４）、
（１５）上記に加え、より低コストな画像表示装置を提供すること（請求項１５）、
をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有し、該光路切替素子は、導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された前記屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備するとともに、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が概ね最小となるように該直線偏光の偏光軸方向が予め設定されている光路切替装置において、前記直線偏光を入射させる手段は、偏光ビームスプリッタであって、該偏光ビームスプリッタから出射させた直線方向の偏光軸方向を任意に選択できるように光軸を中心に該偏光ビームスプリッタを回転可能としたものであることを特徴としたものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記光出射部において前記導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項の発明において、前記光入射部に光学的接合し、前記導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたことを特徴としたものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項の発明において、前記反射部が、前記屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることを特徴としたものである。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶からなることを特徴としたものである。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体からなることを特徴としたものである。
【００１７】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記液晶が入射光の波長の１／５以下の粒径を有するドロップレットであることを特徴としたものである。
【００１８】
請求項１０の発明は、請求項７乃至９のいずれか一項の発明において、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることを特徴としたものである。
【００１９】
請求項１１の発明は、請求項７乃至１０のいずれか一項の発明において、前記液晶が二周波駆動液晶であることを特徴としたものである。
【００２０】
請求項１２の発明は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子が二次元アレイ状に配列されていることを特徴としたものである。
【００２１】
請求項１３の発明は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子が一次元アレイ状に配列されていることを特徴としたものである。
【００２２】
請求項１４の発明は、請求項１２に記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影し表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００２３】
請求項１５の発明は、請求項１３に記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器から出射した光線を該空間光変調器の光路素子の整列方向に対して垂直な方向に走査する走査機構と、走査機構から出射した光線をスクリーンに投影し表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（構成・動作）
本発明の特徴は、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光入射させる手段とを有し、該光路切替素子は、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備する光路切替装置であって、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が最小となるように該直線偏光の偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）が予め設定されていることを特徴とする光路切替装置にある。
【００２５】
ここで、導光部材の屈折率をｎ1、屈折率可変物質の屈折率をｎ2とし、導光部材中を透過する光が光入射部を構成する面の法線とのなす角度（入射角）をθ1、入射光が屈折率可変物質中に進入する際に前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度（屈折角）をθ2とすると、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。
ｓｉｎθ2／ｓｉｎθ1＝ｎ1／ｎ2…（１）
外部信号によってｎ2が変化すると、式（１）に従ってθ2が変化し、その結果、反射部での反射角が変わる、あるいはｎ2がｎ1よりも小さくなり以下の式（２）を満足する場合には、入射光は導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射する。
ｎ1ｓｉｎθ1＞ｎ2 …（２）
これにより所定の位置で光出力を検出すれば、ｎ2の変化に伴って光出力が変化することになり、信号印加による光スイッチングが可能となる。
【００２７】
本発明では、上記作用をする光路切替素子と該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有する光路切替装置において、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が概ね最小となるように該直線偏光の偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）が予め設定されているようにしたので、特に屈折率可変物質の屈折率が入射光の偏光軸方向、すなわち電場ベクトルの振動方向に依存する場合には、所望の屈折率となるように偏光軸方向を調整することができ、その結果Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
【００２８】
上記を実現するために、直線偏光を入射させる手段が偏光軸方向を任意に選択できるように光軸を中心に回転可能であるものとすることにより、偏光軸方向の調整を容易とし、オフ時の出力を小さくすることができ、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる（請求項１）。
【００２９】
また、信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うので、高いＳ／Ｎ比を得ることができる（請求項２）。
【００３０】
また、信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことで、導光部材の屈折率の制約が少ないため、安価な材料を用いてデバイスおよびシステムを実現することができる（請求項３）。
【００３１】
上記において、信号による屈折率可変物質の屈折率変化を、反射部で反射した光が光出射部において導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことが好ましい。この場合、θ2の変化量に比べて出射角の変化量が非常に大きくなり、さらに高いＳ／Ｎ比が得られる（請求項４）。
【００３２】
また、光入射部に光学的接合し、導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けることが製造の容易さから好ましい。この場合、平板導光体と反射部とこの間に封入された屈折率可変物質とによって構成されるデバイスを作製した後に、導光部材を光学的接合させればよいので、複雑な形状の導光部材を用いてデバイスを作製するよりは格段に製造が容易となる。光学的接合とは、両部材間の間隙が使用する光の波長に比べて充分に小さいほどに密着している状態であって、具体的には流動性のある物体を両者間に介在させることによって得ることができる。流動性のある物体は両部材との密着を確保した後に固化しても構わない。より具体的には流動性のある物体として、屈折率が概略導光部材および平板導光体と等しい揮発性の低い液体（屈折率整合液）あるいは光硬化性接着剤を用いるのが好適である（請求項５）。
【００３３】
さらに、反射部が、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることが好ましい。このようにすることによって反射部から光入射部までの距離を小さくすることができるので、駆動エネルギーを小さくすることができる（請求項６）。
【００３４】
屈折率可変物質としては、外部からエネルギーを与えることによって屈折率が変化するものであれば使用可能であるが、制御のしやすさから電界によって屈折率が変化する、いわゆる電気光学材料が好適に使用できる。電気光学材料としては、ポッケルス効果を示すＬｉＮｂＯ3やカー効果を示すＢａＴｉＯ3やＰＬＺＴなどの固体結晶、液晶などが知られているが、中でも電界強度当たりの屈折率変化量が大きいことおよび流動性があることから液晶が好ましい。屈折率変化量が大きいことにより、入射角θ1を小さくすることができる、あるいは角度マージンを大きくすることができる。その結果光損失を小さく、すなわち光利用効率を高くすることができる。また、流動性があることにより導光部材（あるいは平板導光体）および反射部への光学的接触を容易に実現することができる（請求項７）。
【００３５】
屈折率可変物質として、液晶／高分子複合体を用いることが応答速度の点から好ましい。このような液晶／高分子複合体として、液晶ドロップレットを高分子マトリクス中に分散した、いわゆる高分子分散液晶が好適に使用できる。高分子分散液晶の応答速度は液晶ドロップレットの粒径を小さくするにつれて速くなることが実験的にわかっており、特に入射光の波長の１／５以下の粒径にすることが、散乱が減少し光透過率が高くなる、すなわち光損失が著しく小さくなることから好ましい。なお、ここでいう粒径とは構造体を代表する粒径であって、通常は電子顕微鏡写真等によって計測された平均粒径が好適に使用される（請求項８、９）。
【００３６】
上記の液晶は電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることが好ましい。この方向を電圧印加時に液晶分子が揃う方向（電界方向）とほぼ直交させることにより大きな屈折率差が得られるため、入射角θ1を小さくすることができる、あるいは角度マージンを大きくすることができる。その結果光損失を小さく、すなわち光利用効率を高くすることができる（請求項１０）。
【００３７】
上記の液晶は二周波駆動液晶であることが好ましい。二周波駆動液晶とは液晶に印加する電圧の周波数によって液晶の誘電異方性の符号が異なる液晶で、高速な配向動作に特徴がある。誘電異方性とは液晶分子の長軸方向と短軸方向で誘電率が異なる性質で、電界を印加したときに誘電率の大きい方向が電界方向に向く。液晶分子の長軸方向の誘電率が短軸方向の誘電率よりも大きい時を誘電異方性が正とするので、誘電異方性が正の場合には液晶分子の長軸が電界方向に配向し、誘電異方性が負の場合には液晶分子の短軸が電界方向に配向する。二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向させる場合でも、短軸を電界方向に配向させる場合でも、液晶分子にローレンツ力が作用するため、ネマティック液晶など通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に行われるので、応答速度を速くすることができる（請求項１１）。
【００３８】
本発明の光路切替素子を一次元もしくは二次元に配列することで空間光変調器を構成することができる。このような空間光変調器は構造が簡単であるため、耐久性が高く安価で、かつＳ／Ｎ比が高くなる。一次元に配列した空間光変調器は光路切替素子の配列方向に垂直な方向に走査する走査機構を用いることで二次元の空間光変調ができるが、一次元の空間光変調器は二次元の空間光変調器に比べて安価であるため、より低コストとなる（請求項１２、１３）。
【００３９】
上記の空間光変調器と、光線入射手段および空間光変調器により形成した画像をスクリーンに拡大投影する手段を設けることにより、耐久性が高く安価で、コントラスト比の高い画像表示装置を構成することができる（請求項１４、１５）。
【００４０】
以下に本発明の実施形態を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同一の符号を付けその繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子は、ガラス、プラスチック等からなる光学的に透明な導光部材１を介して光源からの光線を屈折率可変物質５に入射させる光入射部３、反射部６で反射した光線を導光部材１の外部へと出射させる光出射部４を有している。反射部６は入射光を実質的に出射光に変換する反射面１４と、これと一辺を共有する逆傾斜面１６によって構成される。反射部６を含む反射部材１５はＳｉ、ガラス等からなる基板９上にガラス、プラスチックまたは酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等のセラミックス等からなる絶縁体８で傾斜面を形成した後、傾斜面にＡｌ、Ａｇ等からなる高反射率の金属膜７を真空蒸着、スパッタリング等の公知の方法で形成して得ることができる。また、必要に応じてフォトリソエッチングによりパターンニングしてもよい。この金属膜７は電極としても作用する。基板９には金属膜７に情報に応じた信号電圧を印加するための駆動素子１７が形成され、情報データを電圧信号に変換するインターフェース部１８に接続される。反射部６としては、絶縁体８が基板９を兼ねる構成や金属板あるいは半導体ウエハを基板として直接傾斜面を形成する構成等も可能である。好適な傾斜面形成方法の一例を挙げれば、面積階調もしくは濃度階調のパターンを形成したフォトマスクを用いてパターンニングしてドライエッチングを行う異方性エッチング法がある。屈折率可変物質５としては、液晶が好適に使用できる。液晶材料としてはネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは２種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。光入射部３には屈折率可変物質５に電圧を印加するためのＩＴＯ等からなる透明電極１０が設けられている。液晶分子を予め配向させるためにＳｉＯ、ポリイミド等からなる図示しない配向膜を少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。屈折率可変物質５が液晶のように流動性のある材料からなる時には、必要に応じてスペーサ材を混合したエポキシ樹脂等からなるシール剤１１を形成して、保持するのがよい。作製工程の一例を示せば、導光部材１（もしくは反射部材１５）の周辺部に熱硬化性のエポキシ樹脂を一部に開口部（注入孔）を残して印刷した後、反射部材１５（もしくは導光部材１）を貼り合わせて加熱硬化する。注入孔から液晶を注入した後、孔を接着剤で塞げば完成する。
【００４１】
図１（Ａ）は屈折率可変物質５の屈折率ｎ2が導光部材１の屈折率ｎ1より小さく、前述の式（２）を満たすような信号電圧Ｓ1を印加した場合で、入射光は光入射部３で全反射し、光出射部４とは異なる方向に出射するため、光出射部４に対向して設けられた光検出器１３では検出されない（オフ状態）。
また図１（Ｂ）はｎ2がｎ1と概略同程度となるような信号電圧Ｓ2を印加した場合で、入射光は屈折率可変物質５中に進入し、反射部６に到達する。反射面１４の法線と光入射部３を構成する面の法線とのなす角度、すなわち反射面１４の傾斜角αをα＝θ2／２（≒θ1／２）に設定しておけば、反射光は光出射部４に垂直に入射し出射するため、光検出器１３で検出される（オン状態）。
【００４２】
屈折率可変物質５が液晶のように分子軸に対して屈折率の異方性を有する場合には、図１（Ａ）のように液晶分子１２が光入射部３を構成する面（入射面）に平行で紙面に垂直な方向に配向している時、直線偏光入射手段２によってＰ偏光（電場ベクトルの振動方向が紙面に平行な直線偏光）を入射させると最も小さい屈折率を感じることになるが、実際には液晶分子の配向は完全に入射面に平行にはならず、また電圧印加による配向変化をスムーズに行うために平行から少し立たせた（プレチルト）状態に初期配向を設定することもある。直線偏光入射手段２を、偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）を任意に選択できるように光軸を中心に回転可能なものとすることにより、液晶分子の初期配向状態が変化してもそれに応じて最も小さい屈折率を感じるように偏光軸方向が選択でき、その結果オフ時の出射光出力を小さくすることができる。この際にオン時（図１（Ｂ）の時）の出力はほとんど変動しないため、結果的にＳ／Ｎ比を高くすることができる。
具体的には図１（Ａ）の状態で直線偏光入射手段２によって偏光軸方向を変えながら光検出器１３で出力（漏れ光）を検出し、概ね最も出力が小さくなる位置に偏光軸を固定する。以降はその状態で動作を行う。
【００４３】
図１８は、上記実施形態における光路切替装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。ここでは、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、その光路切替素子に直線偏光を入射させる手段を用意する。光路切替素子は、上述のごとくに、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備するものである。図１８において、まず、出射光の出力を最小とすべき信号を光路切替素子の屈折率可変物質に付与し（ステップＳ１）、このときの出射光の出力を光検出器で検出する（ステップＳ２）。そして検出した出射光の出力が最も小さくなるように入射光の偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）を調整する（ステップＳ３）。ここでは、光路切替素子と直線偏光の入射手段との相対的な関係が規定されればよいので、偏光軸方向を調整するために実際に位置調整を行なうのは、光路切替素子または直線偏光の入射手段のいずれであってもよい。そして調整した位置の偏光軸方向で光路切替素子に入射光が入射するように、光路切替素子及び直線偏光の入射手段を固定し（ステップＳ４）、この状態で実用に供する。
【００４４】
実施の形態２
図２は、本発明の第２の実施形態を説明するための図である。反射面１４および逆傾斜面１６はＳｉ基板９の（１１０）面異方性エッチングにより作製した。傾斜角度αは約３５°である。反射面１４と逆傾斜面１６の数は５００組（図２では３組のみを記載）で、ピッチ２０μｍ、紙面奥行き方向の長さ１０ｍｍで形成した。また、Ｓｉ基板は直接導光部材１と貼り合わせず、透明電極１０を有する平板導光体（ガラス基板）２０と貼り合わせた後、導光部材１と平板導光体２０とを屈折率整合液１９を介して接合した。図２において、２１は配向膜で、液晶分子１２が基板面にほぼ平行に配向する（実際には約４°のプレチルト角を有する）ようにラビング処理を施している。スペーサ材を混合したシール剤（光硬化性樹脂）１１により液晶の保持とギャップの制御（平坦部を約５μｍ、傾斜面底部を約１１μｍとした）を行った。
【００４５】
導光部材１および平板導光体２０としてフリントガラスＦ２（ｎｄ＝１.６２０）、液晶としてＺＬＩ１１３２（常光屈折率ｎｏ＝１.４９３，異常光屈折率ｎｅ＝１.６３２６，メルク社）を用いて、上記の素子を作製し、図３に示す装置により、出射光の出力を測定した。図３において、ランプ光源２３からの光線をコリメートレンズ２４でコリメートし、直線偏光入射手段として偏光ビームスプリッタ２５で偏光軸方向を変えながら導光部材１に入射させる。ここで光入射部３への入射角は７０°とした。そしてＳｉ基板で反射し、光出射部４から出射した光を集光レンズ２６で集光し、光パワーメータ２７で光出力を測定する。また図３において、２２は液晶層に印加する電圧を制御する電源である。電源２２からの電圧は平板導光体２０上の透明電極とＳｉ基板間に印加される。光パワーメータ２７は液晶層に充分な電圧を印加した時（オン時）に出射光出力が最も大きくなる位置に設置されている。図４は偏光軸の方向についての説明図で、図中、３０は入射光軸、３１は偏光軸である。図４（Ａ）は図２の光路切替素子を正面から見たときの偏光の状態を示し、図４（Ｂ）は右側面から見たときの偏光の状態を示している。図４（Ｂ）において光入射部３を構成する面（入射面）と偏光軸とのなす角度をψとするとψ＝９０°の時がＰ偏光である。図５はψを変化させた時の初期状態（オフ時＝印加電圧０Ｖ）の出射光出力で、ψ＝８６°付近に極小値を持つ。その値は９０°（Ｐ偏光）の時に比べて１桁小さくなっている。一方、オン時（印加電圧３０Ｖ）の出射光出力はψによってほとんど変化しないため、ψ＝８６°の時には９０°に比べてＳ／Ｎ比が１桁高くなった。
また、この素子の場合、アクティブなエリアは１０ｍｍ×１０ｍｍ程度であり、１組の傾斜面と逆傾斜面で形成すると、傾斜面底部のギャップ＞３.５ｍｍとなりｋＶオーダの駆動電圧が必要となる。本実施形態のように単位要素に対して複数組の面を設けることにより、駆動電圧が低減できる。
【００４６】
（実施の形態３）
図６は、本発明の第３の実施形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子の基本的な構成は、第１の実施形態と同様であるが、導光部材と、屈折率可変物質５との界面で全反射しないように材料、形状を変えている。図６（Ａ）は屈折率可変物質５の屈折率ｎ2が導光部材１の屈折率ｎ1より大きい場合で、屈折角θ2は式（１）に従って入射角θ1より小さくなる。反射面１４の法線と光入射部３を構成する面の法線とのなす角度、すなわち反射面１４の傾斜角αをα＝θ1／２に設定し、光入射部３を構成する面と光出射部４を構成する面とのなす角度をβとすると、反射面で反射した光は光出射部４に対してφ1≒β＋θ1−θ2の角度で入射するので、導光部材１に接触している外部物質２８が空気（ｎａ＝１）の場合にはｎ1ｓｉｎ（β＋θ1−θ2）＞１、すなわちθ2＜β＋θ1−ｓｉｎ-1（１／ｎ1）を満たせば全反射して光吸収膜２９で吸収される。図６（Ｂ）はｎ2がｎ1と概略同程度の場合でθ2はθ1にほぼ等しいため、反射光は光出射部４に対して概略φ1’＝βの角度で入射し、出射角φ2＝ｓｉｎ-1（ｎ1ｓｉｎβ）で出射する。図６（Ｂ）の出射光が検出面に垂直に入射するように光検出器１３を設置すると、図６（Ｂ）の場合には検出される（オン状態）が、図６（Ａ）の場合にはほとんど検出されない（オフ状態）。
【００４７】
具体的な例として、導光部材１をクラウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）で作製し、屈折率可変物質５をネマティック液晶Ｅ７（常光屈折率ｎｏ＝１.５２２，異常光屈折率ｎｅ＝１.７４６）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図６（Ａ）のように光入射部３を構成する面（入射面）に平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。図６（Ａ）の状態で直線偏光入射手段２によってＳ偏光（電場ベクトルの振動方向が紙面に垂直な直線偏光）を入射させると最も大きい屈折率（ｎ2＝ｎｅ＝１.７４６）を感じることになり、図６（Ｂ）の状態では最も小さい屈折率（ｎ2＝ｎｏ＝１.５２２）を感じることになる。θ1＝７０°、α＝３５°、β＝３０°に設定すると、図６（Ａ）の時θ2≒５５°となり、θ2＜β＋θ1−ｓｉｎ-1（１／ｎ1）を満たすので、光出射部４で全反射する。図６（Ｂ）の時にはθ2≒７０°であるので、反射光は光出射部４に対して概略φ1’＝３０°の角度で入射し、φ2＝４９°の角度で出射する。しかしながら、実際には液晶分子の初期配向は完全に入射面に平行にはならず、また電圧印加による配向変化をスムーズに行うために平行から少し立たせた（プレチルト）状態に初期配向を設定することもある。直線偏光入射手段２を、偏光軸方向（電場ベクトルの振動方向）を任意に選択できるように光軸を中心に回転可能なものとすることにより、液晶分子の初期配向状態が変化してもそれに応じて最も大きい屈折率を感じるように偏光軸方向が選択でき、その結果オフ時の出射光出力を小さくすることができる。この際にオン時（図６（Ｂ）の時）の出力はほとんど変動しないため、結果的にＳ／Ｎ比を高くすることができる。
【００４８】
上記の材料を用いて、第２の実施形態と同様の方法で素子を作製し、出射光の出力を測定した。図７は偏光軸の方向についての説明図で、図７（Ａ）は、図６に示す光路切替素子を正面から見たときの偏光の状態を示し、図７（Ｂ）は右側面から見たときの偏光の状態を示している。図７（Ｂ）において光入射部３を構成する面（入射面）と偏光軸とのなす角度をψとするとψ＝０°の時がＳ偏光である。図８はψを変化させた時の初期状態（オフ時＝印加電圧０Ｖ）の出射光出力で、ψ＝５°付近に極小値を持つ。その値は０°（Ｓ偏光）の時に比べて３０％程度小さくなっている。一方、オン時（印加電圧３０Ｖ）の出射光出力はψによってほとんど変化しないため、ψ＝５°の時には０°に比べてＳ／Ｎ比が３０％程度高くなった。
【００４９】
（実施の形態４）
図１３は、本発明の第４の実施形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子は、屈折率可変物質５として、高分子分散液晶を用いる以外は第１の実施形態と同様の構成である。高分子分散液晶は高分子マトリクス５０中に液晶ドロップレット５１が分散されてなる。液晶材料としてはネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは２種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。高分子マトリクス材料としては透明なポリマーが好ましく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれであってもよい。高分子分散液晶の製法としては、（１）液晶と熱あるいは光硬化（重合）性モノマーやオリゴマーもしくはプレポリマで溶液を作り、重合によって相分離させる重合相分離法、（２）液晶と高分子と溶剤で溶液を作り、溶剤を蒸発させることによって相分離させる溶媒蒸発相分離法、（３）液晶と熱可塑性高分子を加熱溶解させた後、冷却によって相分離させる熱相分離法などを用いることができる。
【００５０】
ポリマーとしては、製造工程の容易さ、液晶相との分離性等の点から紫外線硬化型の樹脂を用いるのが好ましい。具体的な例として紫外線硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に紫外線照射によって重合硬化するアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するものが好ましい。このようなモノマーまたはオリゴマーとしては（ポリ）エステルアクリレート、（ポリ）ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリブタジエンアクリレート、シリコーンアクリレート、メラミンアクリレート、（ポリ）ホスファゼンメタクリレート等がある。その他の例として、チオール−エン系も光硬化速度が速いことから好適に使用できる。
重合を速やかに行うために光重合開始剤を用いてもよく、この例としてジクロロアセトフェノンやトリクロロアセトフェノン等のアセトフェノン類、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンゾイル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、モノサルファイド、チオキサントン類、アゾ化合物、ジアリルヨードニウム塩、トリアリルスルフォニウム塩、ビス（トリクロロメチル）トリアジン化合物等を挙げることができる。
【００５１】
この紫外線硬化性化合物中に液晶材料を均一に溶解させた液状物を反射部材１５と導光部材１間に注入した後、紫外線照射を行うことによって紫外線硬化性化合物を硬化させると同時に液晶材料を相分離させ、高分子分散液晶層を形成する。
液晶ドロップレットサイズと応答速度の関係について詳細に調べた結果を以下に示す。高分子分散液晶における液晶ドロップレットの大きさは、プレポリマの組成、液晶の混合濃度、硬化時の紫外線強度等を変えることによって変化させることができる。図９は液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係を示したものである。液晶材料はＥ７およびＢＬ２４（ｎｏ＝１.５１３，ｎｅ＝１.７１７，メルク社）、プレポリマはＮＯＡ６０，６５および８１（ノーランド社）を適宜用いた。応答速度の測定は図１０に示す装置を用いて、試料４０にパルス電圧（２００Ｖ）を印加した時の光出力の立ち上がり時間（Ｔｏｎ）と立ち下がり時間（Ｔｏｆｆ）の合計を測定した。なお、図１０において、４１はレーザ、４２は偏光子、４３，４４はレンズ、４５は検光子、４６はパワーメータ、４７はＳｉ基板、４８はＡｕ電極、４９は高分子分散液晶層である。また試料４０は高分子分散液晶層４９の厚さを２０μｍ、光路長を１ｍｍとした。高分子分散液晶に電界が印加されていない時と印加されている時の様子を図１１に模式的に示す。電界が印加されていない時には液晶ドロップレットの向きはランダムであるので、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の屈折率はどれも等しく、層全体が光学的に等方な媒体になっている。ｚ軸方向に電界５２を印加すると、液晶分子の分子軸がこの方向にそろうため、ｚ軸方向の屈折率は大きくなり、ｘ軸およびｙ軸方向の屈折率はお互いに等しいまま、その大きさが小さくなる。図１０のように光が電界方向とは垂直のｘ軸方向から入射される場合、ｙｚ平面に複屈折が生じるために偏光状態を変化させることができ、検光子を通した光出力が変化する。本発明ではこのような複屈折現象は利用しないが、電界印加時の液晶分子の挙動とそれに伴う屈折率変化を利用するので、図９の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図９から液晶ドロップレットサイズが小さくなるにつれて応答速度が速くなることがわかる。
【００５２】
さらには、液晶ドロップレットの粒径を入射光の波長の１／５以下、より望ましくは１／１０以下にすることが光透過率の観点から好ましい。以下にレイリー散乱理論から光透過率を計算した結果を示す。体積Ｖの球形散乱体が数密度Ｎで存在する場合、厚さＬの媒体の光透過率Ｔは下記式（３）のように表される。
Ｔ＝ｅｘｐ（−ＮＲＬ），Ｒ＝２４π3（（ｍ2−１）／（ｍ2＋２））2Ｖ2／λ4 …（３）
ここで、Ｒは散乱断面積、ｍは散乱体の屈折率と媒体の屈折率の比、λは使用する光の波長である。ｍ＝１.０７、Ｌ＝１００μｍとした時の透過率Ｔを散乱体すなわち液晶ドロップレットの粒径ｄ、体積分率（＝ＮＶ）および波長λをパラメータとして計算した。式からわかるようにｄが大きくなる（すなわちＶが大きくなる）ほど、またλが小さくなるほどＴが減少する。また、透過率としては、９０％（Ｔ＝０.９）以上であることが光利用効率の点から好ましい。図１２はＴ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％（ｄ（０.１））、３０％（ｄ（０.３））および５０％（ｄ（０.５））の場合について、波長に対してプロットしたものである。体積分率が小さいと屈折率変化量が小さくＳ／Ｎ比がとれなくなるので、体積分率は１０％以上が好ましく、５０％程度がより好ましい。これ以上の体積分率では作製が極めて困難になる。この観点から、図１２より、光路切替素子として適用される可視〜赤外領域の波長に対しては、ｄがλ／５以下であるのが好ましく、λ／１０以下であることがより好ましい。なお、この計算ではｍおよびＬを固定したが、実デバイスにおいてこれ以下の値であると考えられるため、上記の粒径範囲であれば問題はない。
【００５３】
具体的な高分子分散液晶の例として、ネマティック液晶ＢＬ２４（ｎｏ＝１.５１３，ｎｅ＝１.７１７，メルク社）を紫外線硬化性プレポリマＮＯＡ８１（ノーランド社）に溶解（液晶重量濃度４５％）し、紫外線（４００ｍＷ／ｃｍ2）を照射したもの（液晶ドロップレットの平均粒径は約６０ｎｍ）を用い、導光部材１をフリントガラスＳＦ２（ｎｄ＝１.６４８）とし、入射角θ1＝７５°とした。図１３（Ａ）の時（Ｓ1＝０Ｖ）にはドロップレット５１中の液晶分子は光入射部３に対してほぼ平行で紙面に垂直な方向に配向しており、直線偏光入射手段２によって出射光出力が最も小さくなるように偏光軸を調整した場合、高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.５２）と高分子マトリクスの屈折率（≒１.５６）との体積平均（≒１.５５）と見なすことができる（液晶の体積分率を約３５％と見積もった）。この時、式（２）を満足するので入射光は光入射部３で全反射する。
【００５４】
図１３（Ｂ）の時には液晶分子が電界方向に配列し、上記偏光に対する高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.７０）と高分子マトリクスの屈折率（≒１.５６）との体積平均（≒１.６１）と見なすことができる。この時屈折角θ2は８１°となり、α＝４０.５°に設定しておけば反射光は出射部４からほぼ垂直に出射し、光検出器１３で検出される。
図１３（Ａ）の状態と図１３（Ｂ）の状態との間のスイッチング時間は数１０μｓのオーダが得られ、この値はバルク液晶に比べ２桁以上高速になっている。
【００５５】
液晶分子を予め一方向に配列させる方法として、前述のような配向膜を用いる方法以外に以下に示すような方法を用いることも可能である。高分子マトリクス材料を重合する際に電界を印加することで、液晶を一方向に配向することができる。この時、液晶に接しているプレポリマは液晶の配向に引きずられて同じ方向に配向する。この状態でプレポリマを重合すると液晶との界面は液晶の配向に倣った形で固定される。この界面構造は液晶に対して配向膜として機能するため、高分子マトリクス材料が硬化した後に電界を解除しても、液晶は重合時に印加していた電界方向に揃うことになる。また、電界の代わりに磁界を用いる方法も好適に使用できる。
【００５６】
（実施の形態５）
本発明の第５の実施形態を図１および図１４に基づき説明する。本実施形態の基本的な素子構造は第１の実施形態と同様であるが、屈折率可変物質５として二周波駆動液晶を用いている。
図１４は、二周波駆動液晶の誘電異方性の周波数特性を示す図である。印加電圧の周波数が高くなり、クロスオーバ周波数ｆｃを越えると誘電異方性が負となる。クロスオーバ周波数以下の周波数ｆ１の電圧を印加した場合には液晶分子が電界方向に配向する（図１（Ｂ））。クロスオーバ周波数以上の周波数ｆ2の電圧を印加すると、液晶の長軸は電界にほぼ垂直な方向すなわち光入射部３にほぼ平行な方向に配向するが、予め配向処理を行うことで面内での向きを紙面垂直方向に揃えることができる（図１（Ａ））。
【００５７】
二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向させる場合でも、短軸を電界方向に配向させる場合でも、液晶分子にローレンツ力が作用するため、ネマティック液晶など通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に行われる。例えば、図１（Ｂ）の状態から図１（Ａ）の状態に切り替える際に、通常のネマティック液晶では電圧を０Ｖにした時の配向規制力による戻りを利用するため、応答に数ｍｓ〜数１０ｍｓを要するが、二周波駆動液晶を用いて高周波電界で強制的に配向変化を起こさせる場合には１ｍｓ以下での応答が可能となる。
【００５８】
二周波駆動液晶としては、例えば、２，３−ジシアノ−４−ペンチルオキシフェニル−４−（トランス−４−エチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４ペンチルオキシフェニル−トランス−４−プロピル−１−シクロヘキサンカルボキシラート、２，３−ジシアノ−４−エトキシフェニル−４−（トランス−４−ペンチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４−エトキシフェニル−４−（トランス−４−ブチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４−ブトキシフェニル−４−（トランス−４−ブチルシクロヘキシル）ベンゾアートなどを用いることができる。
【００５９】
具体的な例として、導光部材１をフリントガラスＦ２（ｎｄ＝１.６２０）で作製し、屈折率可変物質５を二周波駆動液晶ＭＸ００１５４４（ｎｏ＝１.４８９，ｎｅ＝１.６２２，クロスオーバ周波数ｆｃ≒２０ｋＨｚ，メルク社）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図１（Ａ）のように光入射部３に対してほぼ平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。この状態で直線偏光入射手段２によって出射光出力が最も小さくなるように偏光軸を調整しておく。透明電極１０と金属膜７の間にクロスオーバ周波数以上の周波数ｆ2＝１００ｋＨｚの電圧Ｓ1を印加した状態（図１（Ａ））で、調整された偏光をθ1＝７０°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ2＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.５０２となるので、式（２）を満たし全反射する。クロスオーバ周波数以下の周波数ｆ1＝１ｋＨｚの電圧Ｓ2を印加した場合（図１（Ｂ））には、同じ光に対して液晶の屈折率はｎ2’＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.６０４となるので、式（２）を満たさず、入射光は屈折率可変物質（液晶）中を透過して反射面１４に到達する。屈折角θ2は７２°となるので、反射面１４の傾斜角α＝３６°に設定すると入射光は反射面で反射し、光出射部４からほぼ垂直に出射して光検出器１３で検出される。
【００６０】
（実施の形態６）
本発明の第６の実施形態を図１５および図１６に基づき説明する。図１５は一次元空間光変調器６０で、図１５（Ａ）はその斜視図、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）をＢ方向から見た図、図１５（Ｃ）は図１５（Ａ）をＣ方向から見た図である。本実施形態の基本的な構成は上記第１、第４または第５の実施形態と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜７が一次元アレイ状に配置されている。基板には各個別電極に接続され、それらに選択的に信号を供給するための駆動素子１７が設けられている。オフ時の出射光出力を図示しないモニタ用の光検出器で予め検出し、概ね最小値となるような偏光軸方向を直線偏光入射手段２によってセットする。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号を印加することによって、選択された個別電極（金属膜７）からの反射光のみが光出射部４から出射し、ライン状の光のＯＮ／ＯＦＦ（空間光変調）ができる。個別電極が配列している方向と垂直な方向に走査する走査装置とを組み合わせることで二次元の空間光変調ができる。また図１６に示すように、一次元空間光変調器６０の個別電極７への駆動信号供給とガルバノミラー等からなる走査機構６４の駆動を画像信号に基づいて制御し、得られた二次元空間光変調された光線を投影レンズ６５によってスクリーン６６に投影することで、画像表示装置を形成することができる。図１６において、光源６１にはレーザー、ＬＥＤ、ランプ等を用いることができる。また、コリメートレンズ６３を光インテグレータとしてもよく、これらの後段には図示しない偏光変換光学系を付与してもよい。
【００６１】
（実施の形態７）
本発明の第７の実施形態を図１７に基づき説明する。図１７は二次元空間光変調器７０の斜視図である。本実施形態の基本的な構成は上記第１、第４または第５の実施形態と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜７が二次元アレイ状に配置されている。基板には各個別電極に接続され、それらに選択的に信号を供給するための駆動素子（図示せず）が設けられている。オフ時の出射光出力を図示しないモニタ用の光検出器で予め検出し、概ね最小値となるような偏光軸方向を直線偏光入射手段２によってセットする。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号を印加することによって、選択された個別電極（金属膜７）からの反射光のみが光出射部４から出射し、面状の光のＯＮ／ＯＦＦ（空間光変調）ができる。この場合、空間光変調器だけで二次元の空間光変調ができるため、図１６のような走査機構は不要で、光出射部の外側に投影レンズを設置し、スクリーンに投影することで画像表示装置を形成することができる。
なお、図１５、図１７では導光部材１を共通にして一つにしているが、導光部材１を各光路素子ごとに分割しても構わない。また、上記一次元アレイ状の空間光変調器もしくは二次元アレイ状の空間光変調器を使った画像表示装置では、赤、緑、青など複数の波長の入射光を使い、時分割で各色の画像を表示したり（フィールドシーケンシャル方式）、複数の空間光変調器を設けて各色の画像を同時に投影することで、フルカラー画像を表示することもできる。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光路切替装置の製造方法によれば、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有する光路切替装置の製造方法であって、該光路切替素子は、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備する光路切替装置の製造方法において、前記出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えた時の該出射光の出力を光検出器で検出し、該検出した出射光の出力値が概ね最も小さくなるように入射光の偏光軸方向を調整し、該調整位置の偏光軸方向で前記光路切替素子に入射光が入射するように固定することにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比の高い光路切替装置の製造方法を提供することができる。
【００６３】
また本発明の光路切替装置によれば、入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有し、該光路切替素子は、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備する光路切替装置であって、前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が概ね最小となるように該直線偏光の偏光軸方向が予め設定されているようにすることにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。
【００６４】
さらに本発明の光路切替装置によれば、出射光の出力を最小とする信号を前記屈折率可変物質に与えた時の出射光の出力を検出し、その値が概ね最も小さくなるように入射光の偏光軸方向が調整されるようにすることにより、よりＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質の屈折率変化を、入射光が導光部材と屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うようにすることにより、さらにＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質の屈折率変化を、入射光が導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うようにすることにより、低コストで信頼性の高い光路切替装置を提供することができる。また、反射部で反射した光が光出射部において導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取るようにすることにより、上記に加え、よりＳ／Ｎ比の高い光路切替装置を提供することができる。
【００６５】
さらに本発明の光路切替装置によれば、導光部材に光学的接合し、導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたので、上記に加え、製造が容易な光路切替装置を提供することができる。また、反射部が、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有することにより、駆動エネルギーを小さくできる光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質を液晶とすることにより、さらに製造が容易で、光利用効率を高くできる光路切替装置を提供することができる。
【００６６】
さらに本発明の光路切替装置によれば、屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体（高分子分散液晶）からなるようにすることにより、上記に加え、応答速度の速い光路切替装置を提供することができる。また、屈折率可変物質が高分子分散液晶からなり、液晶を入射光の波長の１／５以下の粒径を有するドロップレットとすることにより、上記に加え、光損失の小さい光路切替装置を提供することができる。また、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列しているようにすることにより、上記に加え、より光利用効率を高くできる光路切替装置を提供することができる。また、液晶として二周波駆動液晶を用いることにより、さらに応答速度の速い光路切替装置を提供することができる。
【００６７】
本発明の空間光変調器によれば、上記本発明に係る光路切替装置を二次元アレイ状に配列することにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつＳ／Ｎ比の高い空間光変調器を提供することができる。また、上記本発明に係る光路切替装置を一次元アレイ状に配列することにより、上記に加え、製造歩留まりが高く低コストな空間光変調器を提供することができる。
【００６８】
本発明の画像表示装置によれば、光路切替装置が二次元アレイ状に配列した空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影するようにすることにより、耐久性が高く、高コントラストな画像表示装置を提供することができる。また、光路切替装置が一次元アレイ状に配列した空間光変調器から出射した光線を垂直方向に走査してスクリーンに投影し、二次元画像を得るようにすることにより、より低コストな画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】 本発明の第２の実施形態を説明するための図である。
【図３】 素子の出射光の出力を測定するための装置を示す概略図である。
【図４】 偏光軸の方向についての説明図である。
【図５】 入射面と偏光軸とのなす角度を変化させたときの初期状態の出射光出力を示す図である。
【図６】 本発明の第３の実施形態を説明するための図である。
【図７】 偏光軸の方向についての説明図である。
【図８】 入射面と偏光軸とのなす角度を変化させたときの初期状態の出射光出力を示す図である。
【図９】 液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係を示した図である。
【図１０】 液晶ドロップレットの応答速度を測定するための装置を示す概略図である。
【図１１】 高分子分散液晶に電界が印加されていない時と印加されている時の様子を模式的に示す図である。
【図１２】 Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％、３０％および５０％の場合について波長に対してプロットした図である。
【図１３】 本発明の第４の実施形態を説明するための図である。
【図１４】 本発明の第５の実施形態を説明するための図で、二周波駆動液晶の誘電異方性の周波数特性を示す図である。
【図１５】 本発明の第６の実施形態を説明するための図で、一次元空間光変調器を示す図である。
【図１６】 本発明の第６の実施形態を説明するための図で、一次元空間変長器を用いた画像表示装置を示す図である。
【図１７】 本発明の第７の実施形態を説明するための図である。
【図１８】 光路切替装置の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１９】 従来の空間光変調器の一例の平面図である。
【図２０】 図１９におけるひとつの回転鏡の断面図である。
【図２１】 特開平１１−２０２２２２号公報で提案されている光スイッチング素子の動作説明図である。
【図２２】 特開２０００−１７１８１３号公報で提案されている光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１…導光部材、２…直線偏光入射手段、３…光入射部、４…光出射部、５…屈折率可変物質、６…反射部、７…金属膜、８…絶縁体、９…基板、１０…透明電極、１１…シール剤、１２…液晶分子、１３…光検出器、１４…反射面、１５…反射部材、１６…逆傾斜面、１７…駆動素子、１８…インターフェース部、１９…屈折率整合液、２０…平板導光体（ガラス基板）、２１…配向膜、２２…電源、２３…ランプ光源、２４…コリメートレンズ、２５…偏光ビームスプリッタ、２６…集光レンズ、２７…光パワーメータ、２８…外部物質、２９…光吸収膜、３０…入射光軸、３１…偏光軸、４０…試料、４１…レーザ、４２…偏光子、４３，４４…レンズ、４５…検光子、４６…パワーメータ、４７…Ｓｉ基板、４８…Ａｕ電極、４９…高分子分散液晶層、５０…高分子マトリクス、５１…液晶ドロップレット、５２…電界、６０…一次元空間光変調器、６１…光源、６３…コリメートレンズ、６４…走査機構、６５…投影レンズ、６６…スクリーン、７０…二次元空間光変調器、８０…方形トーションビーム反射面、８１…ビーム支持ポスト、９１…ヒンジ、９２…接地電極、９３，９４…ポスト、９５…アドレス電極、１０１…金属層、１０２…基板層、１１０…光線、１１２…光線、１２０…導光部、１２１…全反射面、１３１…抽出面、１３２…プリズム、１３２ａ…反射面、１４０…駆動部、１５１…導光体、１５２…反射膜、１５３…入射光（直線偏光）、１５４…液晶、１５５…反射光、１５６…全反射光。
Claims (15)
- 入射信号に応じて入射光の反射方向を変化させることにより出射光の光路を切り替える機能を有する光路切替素子と、該光路切替素子に直線偏光を入射させる手段とを有し、
該光路切替素子は、導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、
該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、
該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部と、前記反射部を含む光路中に封入された前記屈折率可変物質と、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段とを具備するとともに、
前記光路切替素子に入射させる直線偏光は、該出射光の出力を最小とすべき信号を前記屈折率可変物質に与えたときに、該出射光の出力が概ね最小となるように該直線偏光の偏光軸方向が予め設定されている光路切替装置において、
前記直線偏光を入射させる手段は、偏光ビームスプリッタであって、該偏光ビームスプリッタから出射させた直線方向の偏光軸方向を任意に選択できるように光軸を中心に該偏光ビームスプリッタを回転可能としたものであることを特徴とする光路切替装置。 - 前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の光路切替装置。
- 前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の光路切替装置。
- 前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記光出射部において前記導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことを特徴とする請求項３に記載の光路切替装置。
- 前記光入射部に光学的接合し、前記導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光路切替装置。
- 前記反射部が、前記屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光路切替装置。
- 前記屈折率可変物質が液晶からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光路切替装置。
- 前記屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光路切替装置。
- 前記液晶が入射光の波長の１／５以下の粒径を有するドロップレットであることを特徴とする請求項８に記載の光路切替装置。
- 電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の光路切替装置。
- 前記液晶が二周波駆動液晶であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の光路切替装置。
- 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子が二次元アレイ状に配列されていることを特徴とする空間光変調器。
- 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子が一次元アレイ状に配列されていることを特徴とする空間光変調器。
- 請求項１２に記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影し表示する手段とを有することを特徴とする画像表示装置。
- 請求項１３に記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器から出射した光線を該空間光変調器の光路素子の整列方向に対して垂直な方向に走査する走査機構と、走査機構から出射した光線をスクリーンに投影し表示する手段とを有することを特徴とする画像表示装置。
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