JPH03105309A

JPH03105309A - 空間光変調素子

Info

Publication number: JPH03105309A
Application number: JP1243207A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Osugi; 幸久大杉; Hiroaki Abe; 博明阿部; Yoshinari Kozuka; 小塚　義成
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1991-05-02
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPH0820624B2; EP0419211B1; EP0419211A3; EP0419211A2; DE69015298D1; DE69015298T2; US5085503A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、光学情報処理、画像処理、或いはＸ線画像検
知に用いられる空間光変調素子に関するものであり、更
に詳しくは、電気光学効果と光伝導効果を併わせ有する
単結晶板を用いて、インコヒーレント画像からコヒーレ
ント画像への変換、光情報処理、画像処理、光論理演算
等の機能を持つ空間光変調素子、或いはＸ線画像を可視
光画像に変換することが出来る画像変換機能を持つ空間
光変調素子の改良に関するものである。

（背景技術）従来より、ビスマスシリコンオキサイド（ＢＳ○：Ｂｉ
＋ｚＳｉＯｚ。）、ビスマスゲルマニウムオキサイド（
Ｂ　Ｇ　Ｏ　：　Ｂ　ｉ　＋ｚＧ　ｅ　Ｏｚｏ）等の電
気光学効果と光伝導効果を併わせ持つ単結晶板は、画像
変換素子、所謂ＰＲＯＭ（ポッケルス・リードア、ウト
・オプチカル・モジュレータ）素子として、光による二
次元画像処理装置や情報処理装置等への利用が種々研究
されてきている。そして、このＦＲＯＭ素子の基本構造
は、第１図に示される如く、例えばＢＳＯ単結晶（ウエ
ハ）２の両面に、それぞれ、ポリパラキシレン等からな
る絶縁層４．４を設け、更にその上に酸化インジウム等
の透明電極６．６を設けてなる構造となっている。

ところで、このようなＦＲＯＭ素子を用いた書込み動作
は、通常、以下のようにして行なわれることとなる。先
ず、ＢＳ○結晶２の両面に設けられた電極６，６間に、
外部電源８より所定の電圧を印加し、結晶内部に結晶面
に垂直に均一な電界を形戒した状態で、ＢＳＯ結晶面上
に青色光（４５０ｎｍ程度）による画像を結像させる。

ＢＳＯ結晶２は、青色域に高い感度を示す光伝導効果を
持つため、この書込み光量に応して結晶中にキャリアが
励起される。そして、このキャリアは、印加電圧によっ
て生じた電界によって結晶内を移動して絶縁層４に達し
、書込み光量分布に対応した電荷分布を形戒する。この
キャリアの存在する部分では、キャリアの作る電界によ
って結晶内部の電界が減少し、これによって書込み光量
分布に対応した電界分布を形威し、それがＢＳ○結晶２
中に記録されるのである。

一方、このように記録された画像の読出し動作は、ＢＳ
Ｏ結晶２の有する電気光学効果を利用することにより行
なわれることとなる。即ち、ＢＳＯ結晶２は、電気光学
効果により結晶内部の電界強度に比例した複屈折を有し
ている。また、屈折率楕円体の二つの主軸の方向は、電
界方向に垂直とされている。従って、第２図に示される
ように、偏光板（偏光子）１０を介して、屈折率楕円体
の二つの主軸の二等分線方向に偏光面を持つ赤色（６　
５　０　ｎｍ程度）の直線偏光光を読出し光として、第
１図の如き構成のＰＲＯＭ素子ｌ２に入射せしめると、
このＰＲＯＭ素子１２のＢＳＯ結晶２の結晶内の局所的
電界に応じて、該読出し光は楕円偏光となるのである。

なお、ＢＳ○結晶２の光伝導効果は、赤色域では感度を
持たないために、読出し光照射による記録画像の破壊は
ない。そして、出力側に入力側偏光板１０と直交する偏
光板（検光子）１４を置くことににより、楕円偏光の楕
円率に応じた読出し光強度を得ることが出来、以てＰＲ
Ｃ）Ｍ素子１２に記録されていた入力画像を読み出すこ
とが出来るのである。

なお、ＰＲＯＭ素子１２のＢＳＯ結晶２に記録されてい
る画像の消去は、ＢＳＯ結晶２の全面に強い青色光を照
射することにより、行なわれることとなる。

また、ＦＲＯＭ素子としては、かくの如き透過型の構造
の他にも、第３図に示される如き反射型の構造のものも
知られている。即ち、そこでは、ＢＳ○結晶２の一方の
面に、光を反射させる機能を負荷した金属等からなる反
射電極ｌ６を設け、この反射電極１６によって読出し光
を反射セし２めることにより、画像の読出し光が反射型
の構成で行なわれるようになっている。

さらに、このようなＦＲＯＭ素子に用いられるＢＳＯ結
晶は、Ｘ線に対しても光伝導効果を有するものであると
ころから、Ｆ　Ｒ　Ｏ　Ｍ素子の人力画像の書込み光と
してＸ線を用いても、同様の動作が可能であり、この特
性によってＸ線画像の検知も出来るものである。なお、
このようなＰＲＯＭ素子は、ＢＳＯ結晶の他にも、ＢＧ
Ｏ結晶等を用いても構威され、上記と同様な機能を得る
ことが出来る。

ところで、このようなＦＲＯＭ素子においては、上述の
ように、絶縁層（４）は必要不可欠なものであり、そし
てこの絶縁層の材料として要求される特性には、加工性
に優れ、均一な厚みの絶縁層を安定して作製することが
出来ることの他、絶縁層の厚みを薄くすることが出来る
こと、及び絶縁材の誘電率が高いことが、挙げられる。

けだし、ＢＳＯ結晶の両面に絶縁層を有する上述のＦＲ
ＯＭ素子（１２）において、素子の印加電圧：Ｖ０と、
そのうちＢＳＯ結晶に印加される電圧：■８，。の比は
、下式にて示される。

？し、ε■。：　ＢＳＯ結晶の誘電率、ｄｓｆｆｏ：Ｂ
ＳＯ結晶の厚さ、 ε，；絶縁材の誘電率、ｄｇ　：絶縁層の厚さ。

ここで、絶縁層での電圧降下の少ない、効率的な電圧の
印加を行なうためには、■。／Ｖｓｓｏの値がなるべく
１に近くなる素子の設計を行なう必要があり、そして上
式でｄ９が小さくなる程、その比は１に近づくのであり
、それ故に絶縁層は薄い方が有利となるのである。なお
、解像度に関しても、かかるｄ，が小さい方が有利であ
ることが知られている。

また、上記と同し理由により、ε９が大きくなる程、か
かる■。／Ｖｉｓａの比は１に近づき、従って誘電率は
高いことが望まれるのである。なお、解像度に関しても
、かかるε９の大きい方が有利であることが知られてい
る。

さらに、絶縁層の材料として要求される特性としては、
その他、耐電圧が高いこと（特に、絶縁層が薄い状態で
、耐電圧性を示す必要がある）、絶縁抵抗値が大きいこ
と、透光性を示し、複屈折を持たないこと、耐化学性、
耐候性、耐熱性等に優れ、長期間の信頼性がおけること
等を挙げるこ？が出来る。

これに対して、従来から、幾つかの絶縁層材料が提案さ
れており、例えば特開昭５４−４８２６２号公報、特開
昭５７−４９９１６号公報、特開昭６３−１．１０４１
６号公報等において、有機絶縁物のポリバラキシレン、
ボリスチレンが、また無機絶縁物のＭｇＦｚ、マイ力、
等方性酸化物単結晶のＢ　ｉ．Ｓ　ｉ．０．．，Ｂ　ｉ
．Ｇｅ，０．２等が明らかにされている。

しかしながら、有機絶縁物であるポリパラキシレンは低
融点であり、耐熱性に劣るため、酸化インジウム等の透
明電極を絶縁層上にスバッタ法により形成するためには
、ＢＳＯ単結晶の冷却、Ａｒ、０■圧、空間磁場の調整
、スバッタ電力のコントロールのためにＤＣスパッタ法
の採用が必要となるのであって、またその最適化は非常
に困難であり、加えてポリバラキシレンは湿度で劣化し
易いため、気密容器に入れ、乾燥窒素ガス中に封入する
必要があって、素子構造が複雑になる問題を内在してい
る。

また、ボリスチレンを絶縁層材料とする場合には、絶縁
耐圧が不足し、絶縁層の機械的強度も小さいため、素子
の寿命が短い等という問題点を有しているのである。

さらに、絶縁層として無機絶縁物のマイ力を用いた場合
には、マイ力自体が複屈折材料であるために、ＢＳＯ結
晶の電気光学効果によって生じる複屈折とマイ力の複屈
折の両方で、直線偏光に位相差が生じるところから、Ｆ
ＲＯＭ素子に電圧を印加した時としない時の比、所謂コ
ントラスト比が低下すること、ピンホールから絶縁破壊
を起こすこと、更にマイ力は襞開性を利用して薄板を作
製するため、層厚管理が困難であり、素子性能がばらつ
く等の問題を内在しているのである。

更にまた、Ｍ　ｇ　Ｆ　ｔ材料を使用する場合にあって
も、絶縁抵抗がＩＱＩＯΩｃｍ程度と低いこと、絶縁耐
圧が低いこと、吸湿等のために充分な絶縁層とはならな
い問題があり、またＢ　ｉ　ａｓ　ｉ　３０＋ｔやＢ　
ｉ４Ｇｅ３０Ｂの場合にあっても、誘電率が１６程度で
充分高いとは言えない問題を内在している。

このように、上記の如き従来の絶縁層材料には、安定し
た絶縁性能が得られない；絶縁層の厚み管理を行ない難
い；素子構造が複雑になる；コントラスト比が劣化する
、等の問題点が内在しているのである。

一方、ｒｏｐ’ｒｒｃｓ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ
Ｓ　Ｊ　Ｖｏｌ．７１、Ｎａ１，２　、ｐ．２９〜３４
　（Ｉ　Ｍａｙ　１９８９）には、峯本等により、一軸
酸化物単結晶を電気光学効果を持つ方位で使用して絶縁
層を形威し、ＢＳＯ結晶内と絶縁層内の電気光学効果を
重畳して利用した、小さな半波長電圧（■π）を有する
ＦＲＯＭ素子が提案されている。しかしながら、このよ
うな素子では、読出し像の陽画像コントラストが良くな
い上に、絶縁層の電気光学効果を利用するため、読出し
光の入射角依存性があり、使いづらい点が問題となって
いる。

（解決課題）ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その解決課題とするところは、素子
の半波長電圧が低く、高い解像度を示し、またコントラ
スト比が高く、安定した絶縁性能を有する、絶縁層の厚
み管理が容易なＦＲＯＭ素子を提供することにある。

（解決手段）そして、本発明は、上記の如き課題を解決するために、
電気光学効果と光伝導効果を有する単結晶板と、該単結
晶板の少なくとも一方の面に設けられた、光を透過し得
る絶縁層と、該絶縁層及び前記単結晶板に所定の電界を
加える透明電極とを有する空間光変調素子において、該
絶縁層を一軸酸化物単結晶にて構成すると共に、該一軸
酸化物単結晶を、自然複屈折を示さず、且つ印加される
電界方向において電気光学効果を示さない方位で用いた
ことを特徴とする空間光変調素子を、その要旨とするも
のである。

また、本発明は、電気光学効果と光伝導効果を有する単
結晶板と、該単結晶板の一方の面に設けられた、光を透
過し得る絶縁層と、該単結晶板の他方の面に設けられた
、読出し光の反射面を兼ねる反射電極と、前記絶縁層上
に設けられて、該絶縁層及び前記単結晶板に、前記反射
電極と協働して所定の電界を加える透明電極とを有する
空間光変調素子において、該絶縁層を一軸酸化物単結晶
にて構成すると共に、該一軸酸化物単結晶を、自然複屈
折を示さず、且つ印加される電界方向において電気光学
効果を示さない方位で用いたことを特徴とする空間光変
調素子をも、その要旨とするものである。

なお、このような空間光変調素子において、絶縁層は、
通常、ＬｉＮｂＯ３結晶，ＬｉＴａＯａ結晶、若しくは
ＴｉＯｚ（ルチル）結晶を（００１）軸カットで切り出
した一軸酸化物単結晶板にて形威されることとなる。

（具体的構成）要するに、本発明に従う空間光変調素子は、第１図や第
３図に示される如き構造の従来の空間光変調素子におい
て、その絶縁層（４）を一軸酸化物単結晶にて構戊する
と共に、かかる一軸酸化物単結晶を、自然複屈折を示さ
ない、且つ印加され？電界方向（図において左右方向）
において、電気光学効果を示さない方位で用いたもので
ある。

従って、そのような空間光変調素子における、電気光学
効果と光伝導効果とを有する単結晶板（２）は、例えば
ビスマスシリコンオキサイト（Ｂｔ＋ｚＳｔ．．。）や
ビスマスゲルマニウムオキサイド（Ｂｉ，■Ｇ　ｅ　０
　２。）等の公知の単結晶材料から構成されることとな
る。なお、この単結晶板は、一般に１０μｍ〜５ｍｍ程
度の厚さを有するものであって、その両面が公知の適宜
の手法に従って研磨されたものが用いられることとなる
。また、書込み光或いは読出し光にコヒーレント光が用
いられる場合にあっては、単結晶板（２）は、その一方
の面が他方の面に対して１５′〜２５′の傾斜面となる
ようにテーパーが付けられる。

そして、このような単結晶板（２）の少なくとも一方の
面に対して、本発明に従う絶縁層（４）が設けられるの
である。即ち、この絶縁層（４）は、ＬｉＮｂ○，結晶
、ＬｉＴａ○，結晶、ルチル（ＴｉＯｚ）結晶の如き一
軸酸化物単結晶にて構成され、それら単結晶の（００１
）軸カットにて切り出されたもの（板状体）を用いて形
威されている。このような（００１）軸カット、所謂Ｚ
軸カットにより、自然複屈折を有するために絶縁層とし
て使用することが出来なかった一軸酸化物単結晶を、そ
の自然複屈折の影響を除いて、また印加される電界方向
において電気光学効果を示さない方位で絶縁層（４）と
して用いることが出来るのである。なお、かかる絶縁層
（４）の厚みとしでは適宜に設定されることとなるが、
一般に、５μｍ−１００μｍ程度が好適に採用される．
このように、絶縁層（４）として、一軸酸化物単結晶を
特定の方位で用いることにより、その自然複屈折や電気
光学効果の影響が除かれ、以て一軸酸化物単結晶の高い
誘電率（例えば、Ｌ　ｉＴａＯ３ではε＝４６、ルチル
ではε−１７０）、透明性、容易な加工性等の特徴を利
用して、有効な絶縁層と為し得たのであり、これにより
、半波長電圧（Ｖπ）が低く、高い解像度のＦＲＯＭ素
子を得ることが出来ることとなったのである。また、そ
のような素子はコントラスト比が高く、安定した絶縁性
能を有すると共に、絶縁層の厚み管理が容易であり、安
定した性能を持つ素子となるのであり、更には構造にお
いても簡単となり得るものである。

なお、かかる本発明に従う絶縁層（４）の形戒には、所
定厚さに研磨した絶縁材（一軸酸化物単結晶）を、後述
の基板ガラス上または単結晶板上に接着剤で張り付ける
方法や、基板上に張り付けた厚い絶縁材（一軸酸化物単
結晶）を所定の厚さまで研磨する方法等が適宜に採用さ
れることとなる。また、絶縁層（４）の形戒に際して用
いられる接着剤としては、シリコーン系接着剤、アクリ
ル系接着剤、エボキシ系接着剤等の公知の光学用接着剤
が用いられる。

また、単結晶板（２）の少なくとも一方の面に形成され
た絶縁層（４）の外側の面には、酸化インジウム膜、酸
化スズ膜、ＩＴＯ膜等の公知の透明な導電性膜からなる
透明電極（６），が設けられるが、そのような透明電極
（６）は、例えば、絶縁層の上に透明電極を形成する方
法や基板ガラス上に透明電極を形威し、その上に絶縁層
と単結晶板を設ける方法等によって形成される。

さらに、本発明において、第３図に示される如き、反射
型の空間光変調素子構造を採用する場合において、単結
晶板（２）の他方の面に設けられる（読出し）光の反射
面をも兼ねる反射電極（１６）は、金、銀、白金、アル
ミニウム等の導電性金属を用いて蒸着或いはスバッタ法
等によって形成されることとなる。

また、このようなＦＲＯＭ素子の表面には、透明な反射
防止膜が好適に設けられることとなる。

この反射防止膜は、例えばＳｉｎｇとＴ　ｉ　Ｏ２の多
Ｎ膜等からなるものである。

なお、本発明は、以上の具体的説明並びに好ましい実施
形態のみに限定されるものでは決してなく、本発明の趣
旨を逸脱しない限りにおいて、当・業者の知識に基づい
て種々なる変更、修正、改良等を加えた形態において実
施され得るものであり、本発明が、またそのような実施
形態のものをも含？ものであることが、理解されるべき
である。

（実施例）以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の代表的な実施例を示すが、本発明が、また、そのよ
うな実施例の記載によって、何等制限的に解釈されるも
のでないことも、言うまでもないところである。

形状が１５ｍｍ角、厚みが３００μｍ、テーバー角が１
５’の、（００１）軸カットを行なって得たＢｉ＋■Ｓ
ｉ○２。結晶ウエハを用い、その両面に、それぞれ、厚
さが３２μｍの（００１）軸カットしたＩ，ｉＴａｏ．
を、光学用エボキシ系接着剤で貼り合わせ、更に両面に
酸化スズ膜で透明電極を形成した基板ガラスを貼り合わ
せた。また、基板ガラスの素子表面側には、誘電体多層
膜からなる反射防止膜を設けた。

そして、このようにして得られた素子を用いて、それに
電圧を加え、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光を透過せしめ、その
透過光強度をホトマルチメーターで測定し、印加電圧に
対する透過光強度から半波長電圧（Ｖπ）を測定したと
ころ、８ＫＶとなり、従来より低い特性を得ることが出
来た。

また、青色ＣＲＴで解像度測定チャートを書込み画像と
して書き込み、Ｈ　ｅ　−　Ｎ　ｅレーザー光で読み出
した像をＣＣＤカメラで撮影し、画像解析装置でコント
ラスト比を測定して、ＦＲＯＭ素子の解像度を測定した
。その結果、解像度に関しては、従来の素子より約２５
％程度向上することが認められた。

（発明の効果〉以上の説明から明らかなように、本発明に従う空間光変
調素子においては、半波長電圧が低く、高い解像度を得
ることが出来るものであり、また特性指標の一つである
コントラスト比の向上も効果的に達威され、更には安定
した絶縁性能を有する素子となる他、絶縁層の厚み管理
も容易であり、簡単な素子構造となる等の数々の効果を
奏し得るものであり、そこに、本発明の大きな工業的意
義が存するのである．

【図面の簡単な説明】

第１図は、透過型の空間光変調素子の基本的な構造を示
す概略説明図であり、第２図は、そのような素子を用い
た空間光変調システムの概略説明図であり、第３図は、
反射型の空間光変調素子の基本的な構成を示す概略説明
図である。２：単結晶板　　　　　４：絶縁層６：透明電極　　　　　８：電源１．０，ｉ４：偏光板　　１　２　：　ＰＲＯＭ素子１
６：反射電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電気光学効果と光伝導効果を有する単結晶板と、
該単結晶板の少なくとも一方の面に設けられた、光を透
過し得る絶縁層と、該絶縁層及び前記単結晶板に所定の
電界を加える透明電極とを有する空間光変調素子におい
て、該絶縁層を一軸酸化物単結晶にて構成すると共に、該一
軸酸化物単結晶を、自然複屈折を示さず、且つ印加され
る電界方向において電気光学効果を示さない方位で用い
たことを特徴とする空間光変調素子。
（２）電気光学効果と光伝導効果を有する単結晶板と、
該単結晶板の一方の面に設けられた、光を透過し得る絶
縁層と、該単結晶板の他方の面に設けられた、読出し光
の反射面を兼ねる反射電極と、前記絶縁層上に設けられ
て、該絶縁層及び前記単結晶板に、前記反射電極と協働
して所定の電界を加える透明電極とを有する空間光変調
素子において、該絶縁層を一軸酸化物単結晶にて構成すると共に、該一
軸酸化物単結晶を、自然複屈折を示さず、且つ印加され
る電界方向において電気光学効果を示さない方位で用い
たことを特徴とする空間光変調素子。
（３）前記絶縁層が、ＬｉＮｂＯ＿３結晶を（００１）
軸カットで切り出した一軸酸化物単結晶板にて構成され
ている請求項（１）または（２）記載の空間光変調素子
。
（４）前記絶縁層が、ＬｉＴａＯ＿３結晶を（００１）
軸カットで切り出した一軸酸化物単結晶板にて構成され
ている請求項（１）または（２）記載の空間光変調素子
。
（５）前記絶縁層が、ＴｉＯ＿２（ルチル）結晶を（０
０１）軸カットで切り出した一軸酸化物単結晶板にて構
成されている請求項（１）または（２）記載の空間光変
調素子。