JPH0419707A

JPH0419707A - 空間光変調器

Info

Publication number: JPH0419707A
Application number: JP12517490A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Hirabayashi; 克彦平林; Takashi Kurokawa; 隆志黒川; Seiji Fukushima; 誠治福島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-05-15
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1992-01-23

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、光を空間的に並列に変調する空間光変調器に
関するものである。

（従来の技術）空間光変調器（以下、ＳＬＭと略記する）の機能は、２
次元的なパターン（例えば画像）を書き込み光によって
ＳＬＭに書き込み、別の光（読み出し光）によってその
パターンを読み出すものである。

これにより、画像光の増幅、しきい値処理、反転あるい
は読み出し光と書き込み光との間のインコヒーレント−
コヒーレント変換、波長変換等の処理を行うことができ
る。

このような機能を有する従来のＳＬＭは、その主構成要
素として、第２図の（ａ）に示すように、分子軸を９０
°以下（第３図では９０°）の角度をもって捻ったネマ
チック（以下、ＴＮと略記する）液晶が用いられている
。

このＴＮ液晶は、第２図の（ａ）に示すように、電圧無
印加時には入射直線偏光（読み出し光）ＬＲＩの偏光面
を９０°　（捻れ角９０″の場合）だけ回転させて出力
する。

一方、しきい値電圧以上の電圧Ｖが印加されると、第２
図の（ｂ）に示すように、その分子軸が電圧印動方向に
沿うようになり、入射直線偏光ＬＲＩに対し偏光面の回
転作用を与えず、その偏光状態を保持したままで出力す
る。

第３図は、捻れ角４５″のＴＮ液晶を用いた従来のＳＬ
Ｍの構成図である（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｌｎｅｅｒ
ｌｎｇ、　ｖｏｌ、１７．　ｐ、３７１．１９７８　　
参照）。

第３図において、ｌａ、ｌｂはガラス基板、２ａ、　　
２ｂは透明電極、３は光伝導層（ＣｄＳ層）、４は遮光
層、５は誘電体ミラー（ＣｄＴｅ層）、６ａ、６ｂは液
晶配向膜、７はＴＮ液晶、８は電圧印加部、ＬＷは書き
込み光、ＬＲは読み出し光である。このＳＬＭは、ガラ
ス基板１ａ上に、透明電極２ａ、光伝導層３、遮光層４
、誘電体ミラー５、液晶配向膜６ａを順に積層するとと
もに、ガラス基板ｌｂ上に、透明電極２ｂ、液晶配向膜
６ｂを順に積層し、液晶配向膜６ａ、６ｂ間にＴＮ液晶
７を充填して構成されている。

このような構成においては、いわゆる感光層としてＣｄ
　Ｓ　／　Ｃｄ　Ｔ　ｅのフォトダイオード構造が用い
られる。

二のＳＬＭの所定領域に書き込み光Ｌｗが照射され、か
つ、透明電極２ａ、２ｂ間に電圧が印加されると、書き
込み光照射領域では、そのダイオード特性によりＴＮ液
晶７にかかる電圧が増加し、しきい値電圧を超えるため
、ガラス基板１ａ。

１ｂのガラス面に沿って配向していた液晶軸が電圧印加
方向に向く。

このため、ガラス基板１ｂ側から書き込み光照射領域に
対応する領域に照射された直線偏光である読み出し光Ｌ
Ｒは、その偏光面の回転作用を受けない。

一方、書き込み光Ｌｗが照射されていない領域では、液
晶軸がガラス面に沿った配向状態が維持されるため、読
み出し光ＬＲは、偏光面の回転作用を受ける。

従って、これらをアナライザを介して読み出せば、書き
込みパターンに応じたパターンを読み出すことができる
。

なお、光伝導層３としては、アモルファス−８ｉ層等も
適用される。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記従来のＳＬＭにおいて、ＴＮ液晶７
の出力光の電圧特性を測定してみると、第４図に示すよ
うに、電圧に対する出力光のしきい特性の急峻性が悪い
。このため、ＴＮ液晶７をオン／オフさせる場合、大き
な電圧変化を必要とする。

書き込み光Ｌｗのパワーが弱いと大きな電圧変化が得ら
れないため、完全にＴＮ液晶７をオンにできず、コント
ラストが下がり、感度が低くなってしまう。従って、書
き込み光Ｌｗのパワーを極めて高く設定しなければなら
ないという欠点があった。

この欠点について、第４図乃至第６図を用いてさらに具
体的に説明する。

第４図は、ＴＮ液晶の出力光の印加電圧依存性を示すグ
ラフである。光のオン／オフの急峻性（γ）を下記（１
）式に示すように定義すると、ＴＮ液晶の急峻性γは約
１．５となる。

γ−Ｖ　ｇｏ／　Ｖ　２０　　　　　　　　　　　・・
・（１）但し、ＶＳＯは出力光８０％のときの電圧、Ｖ
２Ｏは出力光２０％のときの電圧をそれぞれ示している
。

ここで、アモルファス−８ｉ（以下、ａ−８ｉと略記す
る）からなる光伝導層Ａ、誘電体ミラー層Ｂ１液晶層Ｃ
の３層からなるＳＬＭを想定した場合、その等価回路図
は第５図に示すようになる。

このＳＬＭに電圧Ｖを印加した時、液晶層Ｃにかかる電
圧ＶＬｃは、次の（２）式のように表すことができる。

ＶＬＣ／Ｖ＝　（１／ｊωｃＬ）／［（Ｒｓ／ｌ＋ｊ（Ｉ）ｃ５　Ｒｓ）　十１／ｊωＣＭ
＋１／ｊωＣＬ］　　・・・（２）この（２）式に以下
に示す各パラメータを代入して、（Ｖ　ＬＣ／　Ｖ　）
の光伝導層を構成するａ−８ｉの抵抗率依存性をプロッ
トしたものが第６図である。

光伝導層Ａ　　　　　ｅ　Ａ　＝　１３、ｄＡ＝７μｍ
誘電体ミラー層Ｂ　　ｅＢ＝７、ｄＢ＝１．５　ｔｔｍ
液晶層ＣＥｃ　＝５．９　、ｄ（＝３μｍ但し、ε８．
ε３．εＣは誘電率、ｄＡ　＋　　ｄＢ　ｒｄｃは膜厚
である。また、駆動電圧の周波数は交流１００Ｈｚであ
り、液晶の誘電異方性は無視している。

さらに、光伝導層Ａの抵抗率は、光の照射パワーによっ
て変化するので、第６図の横軸には光の照射パワーもプ
ロットしている。入射光（書き込み光）がない場合、光
伝導層Ａの抵抗率は１０１２以上であるが、約１００μ
Ｗ　／　ｃ＆の照射パワーで、抵抗率は１０９Ω印とな
り、約１ｍＷ／ｃＪの照射で１０８Ωｃｍとなる。

即ち、第６図から分かるように、ＳＬＭの液晶層Ｃにか
かる電圧を光の照射によって１．５倍に変化させようと
した場合、書き込み光の照射パワーは、約３００μＷ／
ｃｌと、上述したようにかなりの大きいパワーが必要で
ある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、書き込み光の光パワーが弱くても、高コント
ラスト、高感度の光変調動作を実現できる空間光変調器
を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、請求項（１）では、一の透明
電極と、入射光に対し感光する光伝導層と、誘電体ミラ
ーと、一の液晶配向膜と、配向方向が９０度以上である
液晶と、他の液晶配向膜と、他の透明電極とを備え、こ
れら各部を表記した順に積層した。

また、請求項（２）によれば、前記液晶をスーパーネマ
チック液晶により構成した。

（作　用）請求項（１）によれば、一の透明電極側から光伝導層に
対して書き込み光が入射されていない状態で、二つの透
明電極間に電圧を印加すると、液晶にかかる電圧は、こ
の液晶をオンするには不十分となっている。

このとき例えば直線偏光である読み出し光を他の透明電
極側から入射させると、入射読み出し光は、液晶による
複屈折作用を受けて、直線偏光から楕円偏光に変換、あ
るいはその偏光方向が回転されて出射される。

次に、光伝導層に対して微弱な書き込み光を入射させる
と液晶の分子軸が電圧印加方向に向き、複屈折性を示さ
なくなる。このため、読み出し光は、偏光方向の回転作
用を受けず、入射時の直線偏光の状態を保持したままで
出射される。

また、請求項（２）によれば、読み出し光に対する上記
作用がスーパーネマチック液晶にて行われる。

（実施例）第１図は、本発明に係るＳＬＭ（空間光変調器）の一実
施例を示す構成図であって、同図の（ａ）は側断面図、
同図の（ｂ）は上面図である。

第１図において、１０はＳＬＭ、ｌｌａ、１１ｂは透明
なガラス基板、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは透明電極、１
３は光伝導層、１４は誘電体ミラ１５ａ、１５ｂは液晶
を配向させるための液晶配向膜（以下、配向膜という）
、１６はスーパーネマチック（以下、ＳＴＮと略記する
）液晶、１７はＳＴＮ液晶１６の層厚を一定に保持する
ためのスペーサ、１８は封止かつ固定用接着剤、１９は
透明電極１２ｂと１２ｃを電気的に接続するための銀ペ
ースト層、２０ａ、２０ｂは透明電極１２ａ、１２ｂと
それぞれ接続されたリード電極である。

透明電極１２　ａ、　　１２　ｂ、　　１２　ｃは、例
えばインジウム−スズの酸化膜（ＩＴＯ）からなる。透
明電極１２ａ、１２ｃは僅かな間隔をおいてガラス基板
１１ａの一面上に形成され、透明電極１２ｂはガラス基
板１１ｂの一面上に形成されている。

光伝導層１３は、例えばａ−８ｉ（アモルファスシリコ
ン）からなり、透明電極１２ａ上に形成されている。−
船釣には、高感度な水素ドープされた膜としてプラズマ
ＣＶＤ法等により形成される。また、層厚はその電気容
量と抵抗分とのバランスにより決定され、２〜７μｍ程
度の厚さが好ましく、この範囲内の値に設定される。

誘電体ミラー１４は、２種の誘電体膜を交互に積層した
構造からなり、光伝導層１３を覆うように形成されてい
る。誘電体膜の材質としては、誘電率の大きいものがよ
く、本実施例ではＴｉＯ□。

ＳｉＯ２を交互に１７層積層して、反射率９８％以上の
ミラーを得ている。

配向膜１５ａ、１５ｂは、その方向が２４０’に設定さ
れ、配向膜１５ａは誘電体ミラー１４を覆うようにガラ
ス基板１１ａ上に形成され、配向膜１５ｂは透明電極１
２ｂ上からガラス基板１１ｂに跨って形成されている。

ＳＴＮ液晶１６は、第７図の（ａ）に示すように、捻れ
角が９０″〜２７０°　（第７図の（ａ）は図面の簡単
化のため１８０″の場合を示す）に設定され、配向膜１
５ａ、１５ｂ同士をスペーサ１７を介して対向させたガ
ラス基板１１ａ、ｌｌｂの一面間に充填されている。ま
た、ガラス基板１１ａとｌｌｂとの固定並びに充填空間
の封止は、接着剤１８によりなされている。

ＳＴＮ液晶１６の機能は、第７図の（ａ）に示すように
、電圧無印加時には複屈折性を示す。このため、入射直
線偏光（読み出し光）ＬＪＩ＋を楕円偏光に変化させた
り、直接偏光の向きを回転させたりする。

一方、電圧が印加されると、第７図の（ｂ）に示すよう
に、その分子軸が電圧印加方向に沿うようになり、複屈
折性を示さなくなるため、入射直線偏光ＬＲＩを直線偏
光のままで出力する。

第８図は、ＳＴＮ液晶１６（捻れ角＝２４０°）の出力
光の印加電圧依存性を示すグラフである。

第８図並びに前述した（１）式（γ＝　Ｖ　ｓｏ／　Ｖ
　２０）から、光のオン／オフの急峻性γとして、１．
０４を得ることができる。

このことは、ＳＴＮ液晶１６が高い急峻性γを有してい
ることを意味し、第６図を用いて、ＳＴＮ液晶１６にか
かる電圧を１．０４倍に変化させるために必要な光伝導
層（ａ−８ｉ）１３に対する光の照射パワーを考察する
と、４０μＷ　／　ｃＩＩＹとなる。

この値は、従来用いられていたＴＮ液晶の場合の３００
μＷ／ｃＪに比べて大幅に低減されている。

このような機能を有するＳＴＮ液晶１６としては、例え
ばＭｅｒｋ社のＳＴＮ液晶ＺＬＩ−２２９３にカイラル
剤Ｓ−８１１を約１％添加した液晶を用いることができ
る。この液晶の出力光−電圧特性のしきい特性の急峻性
γは１．０５である。

このような構成を有するＳＬＭｌｏにおいては、書き込
み光はガラス基板１１ａの他面側から入射され、読み出
し光はガラス基板１１ｂの他面側から入射される。

次に、上記構成によるＳＬＭＩＯを空間光変調装置に装
備した場合の動作について第１図及び第９図を用いて説
明する。

第９図は、本発明に係るＳＬＭを適用した空間光変調装
置の構成図である。第９図において、１０はＳＬＭ、２
０ａ、２０ｂはリード電極、２１はＳＬＭＩＯを保持す
るためのホルダ、２２はＳＬＭＩＯを駆動する電源、２
３は図示しない計算機によりＳＬＭＩＯを制御するため
の制御線、２４はハーフミラ−１２５はポーラライザ、
２６はアナライザである。

この構成において、変調信号となる２次パターンは、Ｓ
ＬＭＩＯの書き込み面側に書き込み光ＬＷとして照射さ
れる。また、駆動電源２２からの出力は、手動で設定さ
れるか、もしくは計算機からの命令によってプログラム
的に制御される。

読み出し光ＬＲは、ポーラライザ２５を介して空間的に
均一な直線偏光ビームに変換され、ハーフミラ−２４を
通過してＳｌ、ＭＩＯの読み出し面側に入射し、ＳＬＭ
ＩＯで変調されて反射した後、ハーフミラ−２４で反射
されてアナライザ２６を介して強度的なパターンとして
読み出されるようになっている。

上記構成において、まず、書き込み光Ｌｗの入射が無い
状態でＳＬＭＩＯに交流１００Ｈｚ、　６．３■を印加
すると、光伝導層１３が感光していないので、ＳＴＮ液
晶１６にかかる電圧は、液晶をオンするには不十分であ
る。

この時、読み出し光ＬＲをポーラライザ２５、ハーフミ
ラ−２４を介してＳＬＭＩＯに入射させると、入射読み
出し光ＬＲは液晶による複屈折作用を受けて、直線偏光
から楕円偏光に変換されて反射される。この反射読み出
し光ＬＲＲは、ハーフミラ−２４で反射され、アナライ
ザ２６を通過する。これにより出力光が得られ、いわゆ
る明（ｂｒｉｇｈｔ）状態となる。

次に、書き込み光Ｌｗのパワーを徐々に上げていくと、
照射パワーが約４０μＷ　／　ｃ−になった時、ＳＴＮ
液晶１６は急激にオン状態に切り替わる。

このとき、ＳＴＮ液晶１６は、複屈折性を示さないため
、読み出し光は入射状態のままで反射され、アナライザ
２６を通過できず、いわゆる暗（ｄａｒｋ）の状態とな
る。

実際に、有効面約１ｃＪに作製したＳＬＭに対して、書
き込み光Ｌｗとして白色光（４０μＷ　／　ｃ（）を、
読み出し光ＬＲとして）ｌｅ−Ｎｅレーザ光（２ｍＷ　
／　ｃＪ　）を用い、ＳＬＭへの印加パルスを電圧交流
８Ｊ　Ｖ、コントラスト２０：１以上、分解能３０本／
關でパターンを読み出すことができた。

以上説明したように、本実施例によれば、出力光−電圧
特性のしきい特性が極めて急峻なＳＴＮ液晶１６を用い
たので、より小さい光パワーで液晶をオン／オフするこ
とができる。従って、微弱な書き込み光によって、高コ
ントラストを実現できる空間光変調動作ができる利点が
ある。

また、薄型化を考慮して光伝導層１３の厚さを薄くした
場合、第６図の逆Ｓ時カーブがさらに揺るやかになり、
さらに大きな光の照射パワーが必要となる。しかし、上
述したようにＳＴＮ液晶１６では、光の照射パワーはＴ
Ｎ液晶の照射パワーより１桁下げることができるので、
光伝導層１３の厚さを薄くできる。このため、長時間を
要する光伝導層の作製時間の短縮を図れる利点がある。

なお、本実施例では、読み出し光遮蔽用の遮光膜を設け
ていないが、読み出し光パワーが極端に大きい場合には
、光伝導層１３への読み出し光の到達を完全に遮閉する
ため、光伝導層１３と誘電体ミラー１４との間に薄い遮
光膜を設けてもよい。

この遮光膜の材料としては、例えば１μｍ程度の厚さの
ポリジアセチレン膜や遷移金属酸化物等が適当である。

（発明の効果）以上説明したように、請求項（１）または請求項（２）
によれば、書き込み光パワーが小さくても高コントラス
トを実現できる空間光変調動作が可能で、画像の変換、
表示にも利用できる空間光変調器を提供できる利点があ
る。

また、配向方向が９０’以上である液晶（スーパーネマ
チック液晶）を用いることにより、光伝導層の膜厚を薄
くでき、小型化を図れるとともに作製時間の短縮をも図
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る空間光変調器の一実施例を示す構
成図、第２図はＴＮ液晶の説明図、第３図は従来例の構
成図、第４図はＴＮ液晶の出力光の電圧依存性を示すグ
ラフ、第５図は３層からなるＳＬＭ（空間光変調器）の
等価回路図、第６図はＳＬＭにおける液晶にかかる電圧
とａ−８ｉ（光伝導層）の抵抗率の関係を示すグラフ、
第７図はＳＴＮ液晶の説明図、第８図はＳＴＮ液晶の出
力光の電圧依存性を示すグラフ、第９図は本発明に係る
ＳＬＭを適用した空間光変調装置の構成図である。図中、１０・・・空間光変調器（Ｓ　ＬＭ）　、１１　
ａ。１１　ｂ−・・ガラス基板、１２ａ、１２ｂ、１２ｃｍ
・・透明基板、１３・・・光伝導層、１４・・・誘電体
ミラー１５ａ、１５ｂ・・・液晶配向膜、１６・・・ス
ーパーネマチック（ＳＴＮ）液晶、１７・・・スペーサ
、２２・・・駆動電源、２４・・・ハーフミラ−１２５
・・・ポーラライザ、２６・・・アナライザ。特許出願人　　日本電信電話株式会社代理人　弁理士　　吉　　１）　精　　孝空間光度調器
（ＳＬＨ）ＬＲＯ出射光ＬＲＯ出射光ＴＮ液晶の説明図第図書き込み光第図印加電圧（）ＴＮ液晶の出力光の電圧依存性を示すグラフ第４図３層からなるＳＬＨの等他回路図第図ＳＴＮ液晶の説明図第７図印加電圧（Ｖ）ＳＴＮ液晶の出力光の電圧依存性を示すグラフ第図り一− 本発明に糸るＳＬＭを通用した空℃光変謂装璽の慣成間
第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一の透明電極と、入射光に対し感光する光伝導層と、誘電体ミラーと、一の液晶配向膜と、配向方向が９０度以上である液晶と、他の液晶配向膜と、他の透明電極とを備え、これら各部を表記した順に積層したことを特徴とする空間光変調器。
（２）前記液晶がスーパーネマチック液晶からなる請求
項（１）記載の空間光変調器。