JPH03110524A - 空間光変調素子 - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は、光演算装置または投射型デイスプレィなどに
用いられる空間光変調素子に関するものである。

従来の技術 従来の液晶を用いた空間光変調素子のなかで、光書き込
み型のものとして第８図に示すような光導電層８０１の
Ｂ　ｉ　＋＋ｅＳ　ｉ　Ｏｓｓとネマティック液晶８０
２を積層したものが提案されている（滝沢國治他、第３
５回応用物理学会関係連合講演会講演予講集　昭和８３
年春季　３０ｐ−ＺＦ−３，３０ｐ−ＺＦ−４）。

発明が解決しようとする課題 第８図に示す従来例の空間光変調素子は、液晶８０２と
光導電層ｓｏｉをＩＴＯ透明電極８０３．８０４でサン
ドイッチした構造になっており、光導電層８旧に照射す
る光の０Ｎ１０ＦＦによって液晶層８０２を通る光を０
Ｎ１０ＦＦしている。このような構造では、液晶の透過
率−電圧（Ｔ−Ｖ）特性における透過率の立ち上がりが
急峻なため階調をとることが困難であった。従うて、液
晶を用いた光書き込み型の空間光変調素子はほとんど光
シヤツターの機能しかもたず、多値論理演算またはアナ
ログ情報処理に対して使用できない問題があった。

課題を解決するための手段 」二足課題を解決するために本発明の空間光変調素子は
、対向する導電性電極で液晶層および光導電層をはさん
だ液晶セルに、光に対する吸収係数が前記光導電層の面
と平行方向に不均一な分布をもつ光学フィルターを積層
した構造を有する。

作用 対向する導電性電極で液晶層および光導電層をはさんだ
液晶セルに外部から電圧を印加する構成において、暗時
の光導電層の電気インピーダンスを液晶層のインピーダ
ンスと同じ位またはそれ以上に大きくすると、光導電層
に光を照射しない場合は外部電圧のほとんどが光導電層
にかかる。光導電層に光照射すると光導電層のインピー
ダンスは低下し、液晶層に外部電圧のほとんどがかかる
ようになり、液晶層を透過する光量が変化する。

しかし、上述のように液晶のＴ−Ｖ特性における透過率
の立ち上がり（または、立ち下がり）は急峻であり、階
調表示をするのは困難である。特に、応答速度の向上を
図る上で有効な強誘電性液晶を液晶層に用いた場合、強
誘電性液晶は通常のネマチック液晶に比べてＴ−Ｖ特性
はより急峻になるため、階調表示はさらに困難になる。

本発明では、基本的な構成として、このような液晶セル
に吸収係数が光導電層の面と平行方向に不均一に分布し
た光学フィルターを光導電層の光が入射する側に配置し
ている。この構成により光導電層に入射する光の強度分
布が光導電層の面方向にでき、光学フィルターの吸収係
数の小さいところでは光導電層に充分な光量が入射する
ので液晶層にかかる電圧が大きくなり、吸収係数の大き
いところでは入射光強度が小さく、液晶層にかかる電圧
はほとんど変化せず小さいままになる。従って、光学フ
ィルターの吸収係数の分布が不均一であるが故に、この
液晶セルにある強度の光を入射した時にセル面内に光が
透過し易い領域と透過しにくい領域ができ、この領域の
大きさは液晶セルに入射する光強度に対して変化するこ
とがわかる。従って、液晶セルを透過する光量を入射光
強度で制御できるため、面積階調が実現できる。

この効果は、液晶層の液晶材料に関係なく、Ｔ−■特性
の急峻な強誘電性液晶に対しても、階調を実現できるこ
とから有効である。さらに、入射光強度に対する領域の
面積の変化は、光学フィルターの吸収係数の分布形状に
対して依存するため、吸収係数の分布形状を操作するこ
とにより様々な階調特性を実現できる。

実施例 本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する
。

第１図に本発明の空間変調素子の断面図の一例を示す。

第１図は透過型の一例を示している。

素子の構成は、透明絶縁性基板１０１　（例えばガラス
板）上に透明導電性電極（例えばＮ　　Ｉ　Ｔ　Ｏ＋　
Ｓ　ｎＯ，）　１０２を形成しており、さらにその上に
光導電層１０３を積層している。光導電層１０３上には
ラビング処理を施した配向膜！０４（例えばポリビニル
アルコール）を積層している。透明絶縁性基板１０１上
に光導電層１０３の面と平行方向に（図中の×方向）、
光に対する吸収係数が不均一に分布した光学フィルター
１０５を配置している。この場合、光学フィルター１０
５は光導電層１０３とは反対側の透明絶縁性基板１０１
の自由表面上にあるが、透明絶縁性基板１０１と光導電
層１０３との間に配置してもよい。これと、透明絶縁性
基板１０６（例えばガラス板）上に透明導電性電極１０
７およびラビング処理を施した配向膜１０８を積層した
ものとで液晶層１０９をはさみ、両側に偏光子上０．　
検光子ＩＩＩを配置して空間光変調素子！１２を構成し
ている。

光導電層１０３に使用する材料は、暗抵抗が高く、光導
電性の優れたものである。例えば、ＣｄＳ。

Ｃｄ　Ｔ　ｅｌ　　Ｃｄ　Ｓ　８１　　Ｚ　ｎ　Ｓｓ　
　Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅｌ　　Ｇ　ａ　Ａｇ３　　Ｇ　ａ　Ｎ
ｐ　　Ｇ　ａ　Ｐ　＋　　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　８１　
　Ｉ　ｎ　Ｐ等の化合物半導体、Ｓ　ｅ、　　Ｓ　ｅ　
Ｔ　ｅｌ　　Ａ　ｓ　Ｓ　ｅ等の非晶質半導体、Ｓ　１
＋　　Ｇ　ｅｌ　　Ｓ　ｌ　＋−ｘｃｘｓ　　Ｓ　ｌ　
＋−ｘＧ　ｅ　ｘｒ　　Ｇ　ｅ　Ｉ−ｘ　Ｃｘ　（０＜
ｘ＜１　）の多結晶または非晶質半導体、また、　（１
）フタロシアニン顔料（Ｐｃと略す）例えば無金属Ｐ　
ＣＩ　　Ｘ　Ｐ　ｃ　（Ｘ　＝　Ｃｕ＋ＮＬ　　Ｃｏ、
Ｔｉｅ、Ｍｇ＋　　Ｓｉ　（ＯＨ）２など）。

ＡｌＣｌＰｃＣ１，Ｔｉ０ＣＩＰｃＣ１，ＩｎＣＩＰｃ
ｃｌ、ＩｎＣｌＰｃ、ＩｎＢｒＰｃＢｒなど、　（２）
モノアゾ色素、ジスアゾ色素などのアゾ系色素、　（３
）ペニレン酸無水化物およびぺエレン酸イミドなどのペ
ニレン系顔料、　（４）イン・ジゴイド染料、　（５）
キナクリドン顔料、　（６）アントラキノン類、ピレン
キノン類などの多環キノン類、　（７）シアニン色素、
　（８）キサンチン染料、　（９）ＰＶＫ／ＴＮＦ？！
どの電荷移動錯体、（１０）ビリリウム塩染料とポリカ
ーボネイト樹脂から形成される共晶錯体、　（１１）ア
ズレニウム塩化合物など有機半導体である。

また、非晶質の、Ｓ　１ｍ　　Ｇ　ｅ、Ｓ　１　ｔ−＊
Ｃｘ＊Ｓ　Ｉ　Ｉ−＊Ｇ　ｅｘ＋　　Ｇ　ｅ　ｌ−ＸＣ
１Ｉ　（以下、　ａ−８ｉｓａ−Ｇｅ＋　　ａ　　８１
１−ＸＣＸＩ　　ａ　　５ｉｔ−ｘＧｅ＋ｎ　　ａ−Ｇ
　ｅ　Ｉ−ｘ　Ｃｘのように略す）を光導電層１０３に
使用する場合、水素またはハロゲン元素を含めると暗抵
抗が高く光導電率を大きくできるので好ましく、さらに
、誘電率の減少と暗抵抗率の増加を図るために酸素また
は窒素を含めてもよい。また、抵抗率の制御のために・
ｐ型不純物である・Ｂ、　　Ａ１．　　Ｇａなどの元素
を、あるいはｎ型不純物であるＰ。

Ａｓ＋Ｓｂなどの元素を添加してもよい。

このように不純物を添加して価電子制御した上記の光導
電材料を積層してｐ／　ｎ＋　　ｐ／　１＋　　１　／
ｎｏ　　１）／ｉ／ｎなどの接合を形成し、光導電層１
０３内に空乏層を形成するようにして誘電率を制御した
り、外部電圧の極性に対する動作を制御してもよい。ま
た、このような構造を同質の材料だけで構成するだけで
なく、上記のうち異なる光導電材料を２種類以上積層し
てヘテロ接合を形成して、同様の効果を引き出してもよ
い。

液晶５１０Ｂの液晶材料としては、例えば、ネマティッ
ク液晶、または強誘電性液晶がよい。強誘電性液晶は、
通常の液晶に比べて液晶層１０９の厚みを薄くでき、静
電容量を大きくできることから、液晶層の電気インピー
ダンスを小さくできる。さらに応答速度も速くでき、メ
モリ効果を持っているため特に有効である。

光学フィルター１０５は、ある特定の光に対して吸収し
、それ以外の光に対しては透過する特性を持ったもので
構成されており、しかも特定の光に対する吸収係数が光
導電層１０３の面と平行方向に不均一に分布しているも
のである。このような吸収係数の分布を形成する方法と
しては、例えば、高分子膜中に色素または顔料を分散さ
せた光学フィルターの厚みを不均一にする（第１図の場
合に相当）、または高分子膜中の色素または顔料の含有
量を不均一にするなどの方法が考えられる。あるいは、
透明絶縁性基板！旧に色素または顔料を含有させてもよ
い。吸収係数の分布形状は、第２図（ａ）、（ｂ）に示
す単調に変化しているもの、あるいは第２図（Ｃ）、（
ｄ）、（ｅ）のように少なくとも１つの極大値または極
小値をもつように設定すると、より安定した動作が可能
になる。また、第２図（ｆ）、（ｇ）　、（ｈ）のよう
に階段状にすると再現性および安定性が向上する。

これらの図では、ある任意の一方向（Ｘ方向）について
の分布であるが、例えば、他の方向についても回転対称
的に同様の分布をもたせてもよいし、Ｘ方向とは直角の
方向には吸収係数の分布を均一にしてもよい。

第３図に本発明の一実施例として反射型で構成した空間
光変調素子３０１の断面図を示す。反射型の場合でも第
１図の透過型のものと同様に、透明導電性電極３０２上
に光導電層３０３、光吸収層３０４、光反射層３０５を
積層した透明絶縁性基板３０Ｂと透明導電性電極３０７
を形成した透明絶縁性基板３０８で液晶層３０９をサン
ドイッチし、透明絶縁性基板３０Ｂ上に吸収係数が不均
一に分布した光学フィルター３１０を配置した構成にな
っている。ここで、光反射層３０５は読み出し光３１　
’ｌを反射させるためのもので、例えば、誘電体を多層
に積層した誘電体ミラーあるいはＡＬ　　Ｃｒｅ　　Ｎ
　ｉｓ　　Ｍｏなどの金属薄膜で構成する。

光吸収層３０４は解像度を上げるために信号光３１２を
吸収するためのもので、光導電層３０３より十分小さい
禁止帯幅を持つ材料が用いられる。また、読みだし光３
１１は、偏光子３１３および検光子３１４を通して検出
される。また、図示していないが、光反射層３０５上お
よび透明導電性電極３０７上にはそれぞれ配向膜が積層
しである。

反射型の空間光変調素子の動作は、上記の透過型のもの
と基本的に同じである。光学フィルター３０５を通して
光導電層３０３に信号光３１２が入射すると、光学フィ
ルター３０５の吸収係数の分布形状に応じて、液晶層３
０９にかかる電圧の大きさ場所によって異な・る電圧分
布パターンができる。つまり、吸収係数の小さいところ
では液晶層３０９にかかる電圧は大きくなるが、吸収係
数の大きいところでは電圧は小さいままである。この電
圧の大小に応じて検光子３１４を通過する読みだし光３
１１の面積が変化する。

このように、透過型および反射型いずれの場合において
も同様な動作を得ることが出来る。

以下に具体的な実施例について図を参照して説明する。

実施例１ 第１図の空間光変調素子において、透明絶縁性基板１０
１としてガラス基板を使用し、これに透明導電性電極１
０２として０．１〜０．５μｍ厚のＩＴＯをスパッタ法
により成膜し、次に、プラズマＣＶＤ法により、０．５
〜２μｍ厚で光導電層１０３のａ−８ｉｔ−ｘＣ，：Ｈ
膜（０（Ｘ＜０．５）を積層した。続いて、ポリビニル
アルコールを積層し、ラビング処理を施して配向膜１０
４とした。これと透明導電性電極１０７としてＩＴＯお
よび配向膜１０８を積層したガラス基板からなる透明絶
縁性基板１０［ｉとの間に１〜２μｍ厚の液晶層！０９
を封入し液晶セルを作製した。液晶には強誘電性液晶の
１つであるヘキスト（Ｈｏｅｃｈｓｔ）社製ＦＥＬＩＸ
−００１を使用した。続いて、透明絶縁性基板ＩＯ１上
に、光学フィルター１０５として第４図に示すように、
盆地杖に中央部で膜厚が薄くなった厚み分布をもつもの
を配置し、このセルの両側に偏光子＋１０および検光子
Ｉ１１を配置して、空間光変調素子１１２を作製した。

但し、光学フィルター１０５は均質で、５５０ｎｍより
短波長の光に対してよく吸収するが、５５０ｎｍより長
波長の光に対してはよく透過する材質からなる。

この空間光変調素子１１２の対向する透明導電性電極１
０２，１０７間に１０ｋＨｚのパルス電圧Ｖを印加し、
入射光＋１３として波長４００〜５００ｎｍの信号光と
８００〜７００ｎｍの一定強度の読みだし光を合わせた
ものを用いて動作を確認した。光導電層１０３を構成す
るａ　−８ｉＩ−８Ｃ，：Ｈ膜は５５０ｎｍ以下の短波
長の光をよく吸収し、ＧＯＯｎｍ以上の長波長の光はよ
く透過した。

そこで、出力光＋１４として６００〜７００ｎｍの読み
だし光の強度を調べた。その結果、信号光強度を数μＷ
／・Ｃ１１２以上にすると、第５図（ａ）に示すような
円形の出力元日４が観測されはじめ、さらに信号強度を
増加すると円の直径も増加し、出力光１１４の強度が増
加するのを確認した。この結果を第５図（ｇ）に示す。

この図において、信号光強度の大きいところで、出力光
強度が飽和しているのは光の透過領域が液晶セル全体に
広がってしまったためである。

第５図（Ｃ）には、光学フィルター１０５に第２図（ｇ
）に示すような階段状の吸収係数の分布をもったものを
使用した時の信号光強度に対する出力光１１４強度の変
化を示す。

第５図（ｂ）、（ｃ）かられかるように本発明の空間光
変調素子が階調を有することが確認できた。

実施例２ 実施例１で作製した空間光変調素子■２を第６図（ａ　
）ニ示ｔ　ヨうに、２次元配列（例えばマトリックス号
イス゛：４ｘ４）Ｌ、た。これに第６図（ｂ）に示すよ
うなパターンを信号光として与え、第６図（Ｃ）に示す
ようなパターンに従って、パルス電圧Ｖを印加した。但
し、第６図（ｂ）において白色の要素はど光強度が強く
、第６図（Ｃ）においては白色の要素にパルス電圧Ｖが
印加されるものとする。第６図（ｄ）に、この時得られ
た出力光のパターンを示す。このように、本発明の空間
光変調素子を使って、信号光パターンとパルス電圧印加
パターンの論理積の演算が、行われているのが確認でき
た。

実施例３ 第３図に示すような反射型空間光変調素子３０１を作製
した。但し、透明絶縁性基板３０Ｇ　、３０８にはガラ
ス基板、液晶層３０９には層厚Ｉ〜２μｍのメルク（Ｍ
ｅｒｃｋ）社製強誘電性液晶（ＺＬＩ−３６５４）、透
明導電性電極３０２．３０７ニハＩ　Ｔ　Ｏｌ　　光反
射層３０５ニハアルミニウムを使用した。また、光導電
層３０３は透明導電性電極３０２側から４００〜８００
Ａのｐ型ａ　−Ｓ　Ｉ　Ｉ−ＸＣＸ：　Ｈ膜箋　２〜４
μｍのｉ型ａ−３ｉ：Ｈ膜を積層したものを用い、光吸
収層３０４には２００〜５００Ａのｎ型ａ−Ｇｅ：Ｈ膜
をを用いた。光学フィルター３１０には第２図（ｂ）ま
たは（ｃ）のような吸収係数の分布をもつように、金ま
たはプラチナを使って膜厚を制御することで作製した。

この空間光変調素子３０１にパルス電圧Ｖを印加し、信
号光３１２として白色光を照射し、読み出し光３１１に
■ｅ−Ｎｅレーザまたは白色光源を用いて、動作特性を
調べた。その結果、信号光３１２強度と読みだし光３１
１強度の関係は第５図（ｂ）と同様な特性を示していた
。

続いて、この空間光変調素子３０１を実施例２と同様に
２次元配列（例えばマトリックス号イス°４００ｘＧＯ
Ｏ）Ｌ、　第７図に示すような投射型デイスプレィを構
築した。

空間光変調素子３０１を２次元配列して構成した空間変
調素子アレイ７０１は、書き込み光源７０２よりの光を
レンズ７０３を介して照射される。撮影用光源７０４か
らの光は、コンデンサレンズ７０５、鏡７０６、レンズ
７０７を通って空間変調素子アレイ７０１に入射し、変
調を受けた反射光はアパーチャア０８を通って投影スク
リーンに投射される。

書き込み光源７０２に中間調を含む画像を表示したとこ
ろ、高コントラスト、高解像度の投射画像を得た。

発明の効果 本発明によれば、階調を有し、しかも階調特性を任意に
設定でき、高速応答可能で高コントラストな光書き込み
型空間光変調素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例における透過型空間光変調
素子の断面図、第２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）　、（ｄ
）。 （ｅ）　、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、それぞれ本発明
の空間光変調素子に使用する光学フィルターの吸収係数
の分布の例を示すグラフ、第３図は、本発明の他の実施
例における反射型空間光変調素子の断面図、第４図は本
発明の空間光変調素子に使用した光学フィルターの厚み
分布の一例を示す図、第５図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は
それぞれ、本発明の空間光変調素子の一実施例で見られ
た出力光のパターンの一例、および信号光強度に対する
出力光強度の変化の一例を示す図、第６図（ａ）、（ｂ
）　、（ｃ）　、（ｄ）はそれぞれ、本発明の空間光変
調素子の一実施例で使用した２次元配列の一例、信号光
パターンの一例、パルス電圧印加パターンの一例、およ
び出力光パターンノー例を示す図、第７図は本発明の空
間光変調素子の一実施例で使用した投射型デイスプレィ
の構成を示す斜視図、第８図は従来例の空間光変調素子
の断面図である。 １０１、ＩＯＧ・・・透明絶縁性基板、１０２，１０７
・・・透明導電性電極、＋０３・・・光導電層、１０４
，１０８・・・配向膜、１０５・・・光学フィルター　
１０９・・・液晶層、１１０・・・偏光子、１１１・・
・検光子、１１２・・・空間光変調素子、１１３・・・
入射光、１１４・・・出力光、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）対向する導電性電極で液晶層および光導電層をは
   さんだ液晶セルに、光に対する吸収係数が前記光導電層
   の面と平行方向に不均一な分布をもつ光学フィルターを
   積層した構造を有する空間光変調素子。 （２）液晶層が強誘電性液晶であることを特徴とする請
   求項１に記載の空間光変調素子。（３）光学フィルター
   の吸収係数の分布が少なくとも１つの極小値または極大
   値を有することを特徴とする請求項１または２に記載の
   空間光変調素子。 （４）光導電層および液晶層の間に、特定の波長の光に
   対し前記光導電層よりも吸収係数の大きな光吸収層およ
   び液晶層を通過する光に対して反射率の大きな光反射層
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の空
   間光変調素子。