JPH0652349B2 - 光変調素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は、光変調素子、特に回折格子と屈折率可変物質
とを組合せて、屈析率可変物質の屈折率を制御すること
により入射光に所望の回折現象を生じせしめる光変調素
子に関する。

＜従来技術＞ 従来から良く知られている光変調素子としては、互いに
偏光方向が直交する様に配した一対の偏光板と、この一
対の偏光板間に配され一対の透明基板の相対する基板面
に互いに直交する配向処理を施して液晶を封入した素子
とから成り、この液晶の配向状態をねじれた状態と基板
面に垂直に向いた状態との間でスイツチングを行ない入
射光の変調をする所謂ＴＮ（ツウイストネマチツク）型
の液晶表示素子である。この種の表示素子は構成が簡便
で駆動が容易なことから多岐に亘り利用されているが、
２枚の偏光板を利用して光束の透過及び遮断を行なう為
に消色時、即ち光透過時の透過率が悪く光束利用効率の
面からは好ましい光変調素子とは言えなかった。

又、液晶を利用した同種の表示素子として、液晶分子に
色素を混入させて用いる所謂ゲスト・ホストモードの液
晶素子があるが、この表示素子に於ても色素が介在する
為に消色時の透過率は良くても７０％程度であった。

一方、特公昭５３−３９２８号公報やＵＳＰ４，２５
１，１３７等に於て反射型や透過型の位相回折格子と液
晶とを組合せた表示素子や色フイルター素子が開示され
ている。これらで開示されている素子は確かに光束利用
効率は優れているが、特公昭５３−３９２８号公報に開
示されている素子は単なる装飾効果を示すのみであり、
文字や画像を表示する表示素子や光束の透過、遮断を行
なう光変調素子としては満足出来るものではなかった。
又ＵＳＰ４，２５１，１３７に開示されている色フイル
ター素子は一対の対向する基板面に互いに配列方向が直
交する様に回折格子を形成し、この基板間に液晶を充填
して液晶分子の配向状態を制御することにより屈折率を
変え、回折格子を成す物質と液晶との屈折率差を変える
ことで分光透過率特性を可変にするものであり、光束利
用効率に優れ且つ可変色フイルターとして高性能を有す
る。しかしながら、ここで示される如き素子構成では、
対向する回折格子間の界面近傍に於て液晶分子の配向状
態の大きな乱れが存在する為、一方の回折格子を通過し
た光束が、その偏光方位を不規則に変えられたり拡散し
たりして、良好な回折作用即ち光変調が妨げられるとい
う欠点を有していた。又、上述の界面に於る液晶の配向
制御を行なうのは極めて困難であり、特に量産時に於て
の歩留りも悪かった。

＜発明の概要＞ 本発明の目的は、上記従来の欠点に鑑み、量産化する際
にも歩留り良く且つ安価に製作出来、光束利用効率に優
れて良好な回折作用を生じせしめることが可能は光変調
素子を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る光変調素子は、
一対の透明基板と該一対の透明基板の相対する少なくと
も一方の面に存する回折格子と該一対の透明基板間に配
された屈折率可変物質と該屈折率可変物質の屈折率を制
御する手段とを有する素子を２個有し、該２個の素子が
有する回折格子の配列方向が略直交する様に２個の素子
を互いの透明基板を介して貼り合わせたことを特徴とし
ている。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例により明ら
かになるであろう。

尚、前記屈折率可変物質としては、例えば、液晶、ＰＬ
ＺＴ，ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＴｉＯ_２，ＰＭＭ
Ａ，ＣＣｌ_４，ＫＤＰ，ＡＤＰ，ＺｎＯ，ＢａＴｉ
Ｏ_３，Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀，Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ₁₅，ＭｎＢ
ｉ，ＥｕＯ，ＣＳ_２，Ｇｄ_２（Ｍ_０Ｏ_４）_３，Ｂｉ_４Ｔ
ｉ_３Ｏ₁₂，ＣｕＣｌ，ＣａＡｓ，ＺｎＴｅ，Ａｓ_２Ｓｅ
_３，Ｓｅ，ＡｓＧｅＳｅＳ，ＤＫＤＰ，ＭＮＡ，ｍＮ
Ａ，ＵＲＥＡ，フオトレジスト等が挙げられる。特に、
正及び負のネマチツク液晶や強誘電性液晶等の液晶は安
価で屈折率差Δｎ（異常屈折率と常屈折率の差）が大き
く、制御方法が簡便である為に好適である。又、前記グ
レーテイングの作成方法には、フオトリソグラフイーと
ドライエツチングを組合せた方法、熱硬化性樹脂あるい
は紫外線硬化性樹脂等を用いたレプリカ法、ルーリング
エンジンを用いた切削法あるいはエンボス法等の各種方
法が挙げられる。

更に、本発明に於ては、前記回折格子の形状に限定はな
く後述する実施例で示す矩形状回折格子の他、三角波
状、正弦波状、非対称形状等の回折格子が適用される。

＜実施例＞ 第１図は本発明に係る光変調素子の機能原理図であり、
１は屈折率可変物質、２は透明な物質から成る回折格子
で、高さＴ、ピツチΛの矩形状のレリーフ構造を有して
いる。

又、５は入射光、６及び６′は入射光５の互いに直交す
る偏光成分を示す。ここで、回折率可変物質１はその屈
折率を不図示の制御手段、例えば電極、ヒータ等で変化
せしめられる。従って、屈折率可変物質１の屈折率と回
折格子２を成す物質の屈折率との屈折率差Δｎが可変と
なり、入射光５に対する回折作用を制御出来る。即ち入
射光５の波長をλとすれば、第１図に示す如き矩形状の
回折格子による零次透過回折光の回折効率ηｏは近似的
に次の（１）式で表わすことが出来る。

又、例えば、第１図に於る回折格子の形状が三角波状及
び正弦波状の場合、零次透過回折光の回折効率ηｏは夫
々近似的に下記（２），（３）式で表わすことが出来
る。

上記（１）〜（３）式からも解る様に屈節率差Δｎを制
御することにより零次透過回折光の透過率、即ち強度を
可変に出来、零次透過回折光に限らず他の高次回折光、
例えば±１次、±２次等の回折光も同様の原理で制御出
来る。

更に詳述すれば、入射光５がレーザ光であったり、又は
偏光板等を介して回折格子２に入射する場合を除いて、
通常入射光５は様々な偏光成分を有している。例えば、
屈折率可変物質１として正のマネチツク液晶等を使用
し、初期状態で液晶１が第１図に於る回折格子２の溝方
向に配向しているとすると、液晶１の配向方向、即ち液
晶分子の長軸方向と直交する入射光５の偏光成分６は液
晶１の常屈折率ｎｏを感じ、又、液晶分子の長軸方向と
一致する方向の偏光成分６′は液晶１の異常屈折率ｎｅ
を感じる。従って、回折格子を成す物質の屈折率ｎｇと
の関係に於て、例えば電界等で液晶１の配向を回折格子
２の配列面に対して垂直に配向させ、見かけの屈折率を
変えた際でも、入射光５の偏光成分６は常に常屈折率ｎ
ｏを感じる為に前記（１）式のΔｎに変化はなく実質的
に変調し得ない。一方、入射光５の偏光成分６′は異常
屈折率ｎｅから常屈折率ｎｏまでの屈折率を感じて前記
（１）式のΔｎの変化に伴って回折効率ηｏが可変とな
る。即ち、入射光５が全くランダムな偏光特性を有する
光であれば、５０％の光に対してのみ光変調が可能で、
他の５０％の光は何ら変調を受けない。この問題を解決
し、光利用効率を上げる為には、ＵＳＰ４，２５１，１
３７にも開示してある如く、一対の回折格子２を用いて
互いに格子の配列方向が交叉する様に対向させ、該回折
格子間に例えば液晶等の屈折率可変物質を配し、屈折率
制御を行なえば良い。尚、好ましくは一対の回折格子は
直交して配するのが良く、原理的には１００％の光利用
効率を得ることが出来る。しかしながら、この構成は＜
従来技術＞の項で述べた様な欠点を有し、コントラスト
を低下せさせる原因となっていた。

第２図は本発明に係る光変調素子の基本構成例を示す図
で、１は液晶、２は配列方向が互いに直交した回折格
子、３及び３′は透明基板で、夫々の回折格子２は透明
基板３′側に形成されている。又、４は２つの透明基板
３′を貼り合わせる為の接着剤である。ここで、各部材
に関して更に詳述すれば、透明基板３，３′は板厚０．
３mmのガラス板から成り、夫々の透明基板３，３′の対
向する面には膜厚４００ÅのＩＴＯ電極（不図示）がパ
ターニングされている。又、回折格子２は透明基板３′
上にＩＴＯ電極を形成した後、密着露光によりレジスト
剤を用いて形成した。更に透明基板３，３′の間にはロ
シユ製の正誘電性ネマチツク液晶を充填しており、以上
の構成を有する２つの素子の透明基板３′側同志を、光
学接着剤４として良く知られたセメダイン社製１５６５
を用いて気泡が混入しない様に貼り合わせている。

以上の如き第２図に示す光変調素子に白色光を入射さ
せ、零次透過回折光の回折率を測定したところ、消色時
即ち全透過状態に於る透過率が８５％となり、コントラ
スト比も１：１０となって、表示素子等に用いても十分
な性能を示すことが確認出来た。

尚、以上の説明では屈折率可変物質として液晶を採りあ
げているが、他の屈折率可変物質であっても本発明は適
用可能であることは言うまでもない。但し、液晶とりわ
けネマチツク液晶は容易に入手出来ると共に制御が簡便
で且つ回折格子により配向規則が可能である為、本発明
に好適な物質と言える。又、制御方法も電界制御方式を
用いるのが、応答特性や表示素子として駆動する際の容
易性を鑑みると好ましい。更に屈折率可変物質として
は、異常屈折率ｎｅと常屈折率ｎｏとの屈折率差が大き
いものが好ましく、素子構成や変調機能の自由度を高め
ることになる。従って、この意味に於ても液晶は好まし
い物質と言え、望ましくは屈折率差（ｎｅ−ｎｏ）が
０．２以上の物質が良い。

又、第２図に示す光変調素子に於て、互いに貼り合せる
側の基板３′の厚さは、一般に上下の素子間で生じる像
ズレを考慮すると夫々薄い方、特に０．３mm以下が望ま
しく。又貼り合せに使用する接着剤４の如き中間部材の
屈折率は基板３′と等しいことが好ましい。

更に、回折格子２の上部と基板３の対向面とは密着して
いるが、液晶の配向状態の乱れを生じせしめない為にも
望ましい。

尚、上述の説明では透明型の光変調素子を示している
が、例えば一方の基板に光反射膜等を施して反射型の素
子とすることも可能である。但し、反射型の場合、素子
内に於る回折光の挙動が複雑となる為、設計や実際の表
示素子等の応用面を考慮すると、本発明では透過型の光
変調素子とするのが好ましい。この場合、当然の事なが
ら回折格子、屈折率可変物質及び基板等は使用波長に対
して透過性を有する部材を用いる。

＜発明の効果＞ 以上、本発明に係る光変調素子は、回折格子と屈折率可
変物質とを有する複数の素子の基板同志を貼り合せるだ
けで構成出来、安価に作製することが可能である。

又、回折格子を形成している基板同志を貼り合せること
により、２つの互いに直交する回折格子間に、液晶の乱
れ等の入射光の偏光特性を乱す系が存在せず、異常な偏
光の発生を防ぐことが出来、コントラストの向上を図れ
る。更に、高い光束利用効率を保ったまま良好な回折作
用を生じせしめることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光変調素子の変調原理図。 第２図は本発明に係る光変調素子の基本構成例を示す
図。 １……屈折率可変物質、 ２……回折格子、 ３，３′……透明基板， ４……接着剤， ５……入射光， ６６′……互いに直交する偏光成分， Λ……回折格子のピツチ， Ｔ……回折格子の高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 望月 千織 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 大久保 幸俊 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の基板と、該一対の基板の相対する少
   なくとも一方の面に存する回折格子と該一対の基板間に
   配された屈折率可変物質と該屈折率可変物質の屈折率を
   制御する手段とを有する素子を２個有し、該２個の素子
   が有する回折格子の配列方向が略直交するように２個の
   素子の基板を貼り合せた光変調素子。
2. 【請求項２】前記２個の素子の基板は夫々の素子の回折
   格子が存する側の基板である特許請求の範囲第（１）項
   記載の光変調素子。
3. 【請求項３】前記基板と前記屈折率可変媒体とは使用波
   長に対して透明である特許請求の範囲第（１）項記載の
   光変調素子。
4. 【請求項４】前記基板の内、貼り合わせる側の基板の厚
   さが0.3ｍｍ以下である特許請求の範囲第（１）項記載
   の光変調素子。
5. 【請求項５】前記基板を貼り合わせる為の接着剤の屈折
   率を張り合せるべき基板の屈折率と略一致させた特許請
   求の範囲第（１）項記載の光変調素子。
6. 【請求項６】前記屈折率可変物質が液晶である特許請求
   の範囲第（１）項記載の光変調素子。