JPH04226427A - 光伝導性ポリマーをベースとした空間光変調器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光伝導性材料層と液晶と
組み合わせた空間光変調器　（ｍｏｄｕｌａｔｅｕｒ　
ｓｐａｃａｌ　ｄｅ　ｌｕｍｉｅｒｅ，　ＭＳＬ）に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、空間光変調器　（ＭＳＬ）はオ
プトエレクトロニクス材料の層と光伝導材料の層とを並
べて配置して構成されている。光伝導材料の層は入射光
強度の分布を検出し、その結果はオプトエレクトロニク
ス材料上で電荷の分布となって表れてその光学的特性は
局部的に変わる。従って、空間光変調器を透過した光ま
たは空間光変調器で反射型された光は振幅または位相が
空間的に変わる。すなわち、光子が光伝導材料に入ると
、電子がエネルギーの基底レベルから励起エネルギーレ
ベルへ励起され、その結果、電流が増加し、抵抗率の減
少となって表れる。情報をオプトエレクトロニクス材料
（液晶（ＸＬ））を通して選択的に送るためにには、光
伝導体　（ＰＣ）　は暗抵抗率（ｒｅｓｉｓｔｉｆ　ｄ
ａｎｓ　ｌ’ｏｂｓｃｕｒｉｔｅ）　が極めて高く且つ
下記式１の条件を満たしていなければならない： 　　　　　　　　　　（ρｐｃ）照射時　　＜＜　　ρ
ＸＬ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　〔式１
〕（ここで、ρは抵抗率を示す） 従って、液晶に印加する電圧は、 （１）　暗所では無視でき、 （２）　照射時には、液晶の光学的特性を変える（複屈
折性材料の光学的定数を変化させる）　のに十分な入射
光束に対して上記２つの層全体に印加される電圧にほぼ
等しいことが必要である。

【０００３】この空間光変調器は信号の光学的処理、例
えばインコヒーレント／コヒーレント変換、波長変換ま
たは光増幅では透過型で用いられる〔マクユーエン　（
Ｒ．　Ｓ．ＭｃＥｕｅｎ）　の　”Ｊ．　Ｐｈｙｓ．　
Ｅ．　Ｓｃｉｅｎ．　Ｉｎｓｔｒ．”　　第２０号、１
９８７年を参照〕。また、この空間光変調器は、一般に
投影型テレビとして知られている大画面のスクリーン上
へ陰極線管　（ＣＲＴ）の画像を投射する反射型で用い
ることもできる。３つの　ＣＲＴと３つの空間光変調器
とを組み合わせることによって赤、緑および青の３色を
変調し、混合することによって大画面のスクリーン上に
カラーテレビ画像を投射・再構成することができる〔フ
ェルゲンブラット（Ｒ．　Ｇ．　Ｆｅｒｇｅｎｂｌａｔ
ｔ）　　”セミナー１４電子投射ディスプレイ（Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃ　Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　Ｄｉｓｐｌａ
ｙ）”、１９８７年を参照〕。

【０００４】透過型または反射型の空間光変調器で現在
用いられている光伝導層は下記のような無機材料である
： （１）　半導体、光伝導材料またはドーピングされた光
伝導材料；これらは、フォトンの作用下で価電子帯から
伝導帯へ電子を転移させることができるような狭い禁制
帯を有する半導体である。この場合には、感度は可視ス
ペクトルと近赤外に限定される。この感度を遠赤外線部
分まで広げるためには、半導体に金属をドーピングする
。すなわち、ドーピングによって付加的エネルギー準位
を作って、低エネルギーのフォトンでの励起を容易にす
ることができる。この形式の空間光変調器の例としては
、ＣｄＳを用いたもの〔グリンバーグ（Ｇｒｉｎｂｅｒ
ｇ）達の”Ｏｐｔ．Ｅｎｇｉｎ．”第１４号、２１７　
頁、１９７５年〕またはアモルファスシリコンａ−Ｓｉ
を用いたもの〔ウィリアムズ（Ｄ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ）
達の　”Ｊ．　Ｐｈｙｓ．Ｄ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ
．”　第２１号、１９８８年〕等がある。 （２）　結晶；Ｂｉ１２ＳｉＯ２０の光伝導特性は優れ
ており、この結晶を用いて作った空間光変調器は極めて
期待できる性能を示す〔オーブール　（Ａｕｂｏｕｒｇ
）達　”Ａｐｐｌ．　Ｏｐｔ．”　第２１号、３７０６
〜１２頁、１９８２年を参照）　。これらの無機化合物
の他に、ミルニボク（Ｍｙｌｎｉｖｏｋ）達は空間光変
調器用の光伝導体としてポリマー材料を用いることを試
みている〔“Ｓｏｖ．　Ｔｅｃｈ．　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔｚ”第１１（１）　号、第　３０（４）号、１９８５
年と第３２（１０）号、１９８７年〕。彼達は機械特性
および熱的特性からポリイミドを用い、それにドーピン
グをして光伝導性材料にしている。このポリイミド自体
には光伝導効果はない。

【０００５】一般に、空間光変調の性能は下記の規準で
評価される： （１）　　キャリヤの易動度（μ）が大きく、（２）　
　暗所での光伝導体の抵抗率（ρｏ　）が大きく、（３
）　　照射光束に対する感度（β）が高く、伝導度は下
記式２で照射光束と関係付けられる：σ＝σｏ　＋βＩ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　〔式２
〕（ここで、Ｉは照射光束の強度であり、βはμ、τ（
寿命）、η（量子収率）に依存し、σｏ　は暗所での導
電率１／ρｏ　である） （４）　　空間解像度が高い。キャリヤの易動度が大き
くなると応答時間が速くなり、正確には、消光時間を１
０％速くすることができる。この応答時間は液晶の応答
時間（約１００　μｓから１ｍｓ）　とほぼ同じ早さで
なけれはならない。感度すなわち高い効率を達成するの
に必要な光の透過を１０％から９０％へ変えるのに必要
な面積単位当たりの電力は１〜３ｍＷ／ｃｍ２　の範囲
中でなけれはならない。光伝導材料の種類および寸法に
関連する空間解像度は、現在のところａ−Ｓｉの場合に
は　７０　ｐｌ／ｍｍ，　　ＣｄＳでは　４０　ｐｌ／
ｍｍ，　　Ｂｉ１２ＳｉＯ２０では　１２　ｐｌ／ｍｍ
　である。（厚さは　３００μｍにできるが、技術的な
理由から実際には困難である）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこれら
の要求を全て満たすことが可能な空間光変調を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の提供する空間光
変調器は、液晶の層と、光伝導材料の層とを組み合わせ
た形式の空間光変調器において、上記光伝導性材料がポ
リシランまたはポリゲルマン（ｐｏｌｙｇｅｒｍａｎｅ
）　をベースとした材料であることを特徴としている。 すなわち、本発明の光伝導材料の層はそれ自体が光伝導
効果を有するポリマー層で構成されている。このポリマ
ー層はシリコンまたはゲルマニウムをベースとするポリ
マーの中から選択される。これらのポリマーの光に対す
る感度は極めて高く、また、応答時間も速い。すなわち
、キャリヤの易動度は１０−４ｃｍ２／Ｖｓ　であり、
他のポリマーで通常測定される易動度の　１００〜１０
００倍である。これらのポリマーはＳｉ−Ｓｉ間または
Ｇｅ−Ｇｅ間のσ−σ＊　結合のエネルギー準位間（基
底状態と励起状態のエネルギー準位）のエネルギーギャ
ップが小さいため、本質的に光伝導性がある。 これに対してミルニボク達の提案したポリマーはドーパ
ントを添加して光伝導性としたものであるため、このマ
トリックス中でのキャリヤの移動はかなり遅い。同様に
、トリニトロフルオレノンをドープしたポリビニルカル
バゾール（ＰＶＫ）の光伝導特性は優れていることは知
られているが、その応答時間はあまり速くない。

【０００８】上記のシリコンまたはゲルマニウムをベー
スとした光伝導性ポリマーをこれらにドープして、感度
を大きくし且つ所望の記録波長に合せることもできる。 これらのポリマーの大きな利点は簡単且つ低コストで実
施できる点にある。すなわち、いわゆるスピンコーティ
ング法によって薄膜（厚さは約１μｍ）にすることがで
きる。薄膜の厚さを薄くできるということは高い空間解
像度を得るのに好都合である。現在のＢｉ１２ＳｉＯ２
０層を形成する空間光変調器はコストが高く、結晶加工
の制限のため数百ミクロン以下の寸法にはできない。さ
らに、上記ポリマーは液晶の表面に直接固定することが
でき、液晶配向用の中間層（一般には、液晶配向用にポ
リイミドまたはポリビニルアルコールが用いられている
）を設ける必要がない。

【０００９】従って、本発明の対象は、液晶の層と、光
伝導材料の層とを組み合わせた形式の空間光変調器にお
いて、上記光伝導性材料がポリシランまたはポリゲルマ
ンをベースとした材料であることを特徴とする空間光変
調器にある。本発明の空間光変調器で使用可能な上記ポ
リシランおよびポリゲルマンは各々下記〔化３〕〔化４
〕の式で示される：

【化３】

【化４】 （ここで、ＸおよびＹは有機基によって構成された側鎖
であり、ｎは重合度を表す） 本発明およびその上記以外の利点は、添付図面を参照し
た以下の実施例の説明からより明らかとなろう。しかし
、本発明が以下の実施例に何ら限定されるものではない
。

【００１０】

【実施例】実施例１ 本実施例は図１に示す透過型の光変調器に関するもので
ある。この光変調器は下記３つの有機層によって形成さ
れている： （１）　　光伝導性フィルムの層１ （２）　　液晶の層２ （３）　　液晶配向用の層３（例、ポリイミド、ポリビ
ニルアルコールの層） これら３つの層は２枚のガラス板４、５の間に挟まれて
いる。各ガラス板の内側表面上には透明電極６、７（透
明電極列）が支持されている。各電極は例えばインジウ
ムと錫の酸化物で作られている（ＩＴＯ電極）。光伝導
性フィルムの層１は、例えば下記のようにして作られる
。すなわち、電子受容体となる分子、例えばトリニトロ
フルオレノン（ＴＮＦ）分子を１％含むトルエン中にポ
リメチルフェニルシランを溶かした溶液（１０％）を調
製し、スピン−コーティング法によってガラス／ＩＴＯ
電極基板の上に、ＴＮＦが約１０モル％含まれた光伝導
性フィルムとなるように塗布する。次に、このフィルム
を　１００℃で２時間加熱して残留溶媒を除去する。上
記ポリシラン層には当業者に周知の方法によって液晶配
向用の処理　（例えば線引き（ｒａｙｅｒ））をする。 また、完全な液晶セルにするためには、液晶パネル製造
技術で当業者に周知の方法でマイラー等の材料のパッキ
ン８、９で液晶を封入する。ビーディエッチ（ＢＤＨ）
社から市販のネマチック液晶（商品番号Ｅ７）の厚さ３
μｍの層の上に厚さ１μｍのポリメチルフェニルシラン
層を配置すると、ポリシランの抵抗率（０．２・１０１
５Ωｃｍ）　、液晶の抵抗率　（１０１１Ωｃｍ）、ポ
リシランの感度（　５１４ｎｍで、β＝１０−８Ω−１
ｃｍＷ−１）、ポリシランの誘電定数（ε＝２．８）お
よび液晶の誘電定数（ε＝８）から、５１４．５　ｎｍ
の記録用波長と　６３３　ｎｍ　の読出し用波長に対し
て　１００　Ｈｚ　以下の作動で誘電緩和時間は１ｍｓ
となる。もちろん、スメクチック液晶層Ｃ＊　を用いる
こともでき、この場合の応答時間は　１００　ｍｓ　以
下になる。

【００１１】実施例２ 本実施例は図２に示した反射モードで作動する光変調器
に関するものである。この光変調器は上記の場合と同様
に、内側表面上にＩＴＯ電極１６、１７を有するガラス
板１４、１５と、実施例１と同じ材料の光伝導層１１と
、実施例１と同じ材料の液晶層１２と、パッキン１８、
１９と、液晶配向用の層１３とを有している。この光変
調器は、読出し用ビームの波長に適した染料を２０％ド
ーピングしたポリメチルメタクリレートの層で作られ読
出し用ビームを吸収する光吸収層２０と、読出し用ビー
ムを反射するための反射層２１を有する点で少し複雑で
ある。この反射層２１は陰極スパッタリングで堆積した
ＺｎＳ−ＴｉＯ２　またはＳｉＯ−ＳｉＯ２　の層また
はラングミュア−ブロジェット　（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−
Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）　法で形成したポリシラン／ポリシ
ロキサンの層である。無機の誘電性ミラーの場合には、
液晶配向用の層を２層にし、その１方の層をガラス側の
ＩＴＯ電極上に形成し（これは層１３である）　、他方
の層を上記反射層２１上に形成する。有機の誘電性ミラ
ーの場合には、反射層に線引き（ｒａｙｅｒ）　をして
液晶配向層として用することができる。このセルは、液
晶セルの当業者に周知の技術で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による透過モードの空間光変調器の概念
図。

【図２】本発明による反射モードの空間光変調器の概念
図。

【符号の説明】

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液晶の層　（２，　１２）と、光伝導材料
   の層　（１，　１１）とを組み合わせた形式の空間光変
   調器において、上記光伝導性材料がポリシランまたはポ
   リゲルマンをベースとした材料であることを特徴とする
   空間光変調器。
2. 【請求項２】上記ポリシランおよびポリゲルマンが各々
   下記〔化１〕〔化２〕の式で示される請求項１に記載の
   空間光変調器： 【化１】 【化２】 （ここで、ＸおよびＹは有機基であり、ｎは重合度を表
   す）
3. 【請求項３】上記有機基がアルキル基、アリル基および
   アリール基よりなる群の中から選択される１つの基であ
   る請求項２に記載の空間光変調器。
4. 【請求項４】光伝導性材料がポリメチルフェニルシラン
   である請求項１に記載の空間光変調器。
5. 【請求項５】光伝導性材料がドーパントを含む請求項１
   〜４のいずれか一項に記載の空間光変調器。
6. 【請求項６】上記ドーパントがトリニトロフルオレノン
   の分子によって構成されている請求項５に記載の空間光
   変調器。
7. 【請求項７】液晶の層と接触している光伝導材料の表面
   が液晶分子をアンカーするために機械的に処理されてい
   る請求項１〜６のいずれか一項に記載の空間光変調器。