JPH0829816A

JPH0829816A - 閾素子

Info

Publication number: JPH0829816A
Application number: JP16233294A
Authority: JP
Inventors: Akio Miyata; 昭雄宮田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】小さな閾値により透過光強度を急峻に変化さ
せることができるという優れた閾値特性を有する閾素子
を提供することを目的としている。【構成】それぞれミラー２，２’が形成され、ミラー
２，２’が対向するように配置された２枚の透明基板
１，１’と、透明基板１，１’のミラー間に狭持された
有機フォトクロミック層３より、閾素子を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次元の画像情報を並
列処理する光ニューラルネットワーク理論に基づく光コ
ンピュータシステムに用いられる閾素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】生物は、視覚により目の前にある物体を
認識する。そして、例えば、目の前の物体やパターンの
一部が欠けていたり、変形したりすると、以前に見た記
憶があれば、極めて短時間でその対象を認識することが
できる。近年、このような生物の視覚を模倣した認識処
理システムを光学系や電子回路を用いて実現し、生物の
ような認識能力を有するシステムを構築することが期待
されている。

【０００３】光を信号担体として画像情報を認識する場
合には、空間光変調素子や閾素子などの光学素子が必要
となる。そして、画像のような２次元情報を並列に処理
するには、二値化処理などの閾値処理機能を有する光学
素子の開発が課題となっている。そのような閾値処理機
能が実現可能な閾値特性を得るためには、光の強度に応
じて光透過性が変化する非線形光学特性の利用が必要と
なる。

【０００４】非線形光学特性には種々の機構があるが、
基本的には、光強度に応じて吸収係数が変化することに
より透過率が変化する吸収型と、光強度に応じて屈折率
が変化すことによって透過率が変化する分散型とに大別
できる。これまでの実用的な非線形光学素子の材料は、
ほとんどが無機物である。これは、非線形光学の研究に
先立って、ピエゾ効果、強誘電体半導体の電気伝導、電
気光学効果などに関する多数の研究がなされきたので、
多くの無機半導体、無機誘電体について得られた研究デ
ータの蓄積があったためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近に
なって、有機化合物からなる非線形光学材料が注目され
ている。その要因として、有機非線形光学材料の中に、
通常用いられている無機結晶よりも大きい非線形光学係
数が見いだされたことや、有機化合物の多様性や物質設
計の自由度の大きさが挙げられる。

【０００６】ところが、通常、有機非線形光学材料を用
いた光学素子では、スイッチング素子として実用化でき
る閾値特性を示すものはなく、従って、有機非線形光学
材料を用いた優れた閾値特性を有する閾素子は、現時点
で得られていない。

【０００７】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであって、小さな閾値により透過光強
度を急峻に変化させることができるという優れた閾値特
性を有する閾素子を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、閾素子を、それぞれの上にミラーが形
成され、互いに対向配置された２枚の透明基板と、前記
対向配置された透明基板間に狭持された有機フォトクロ
ミック層とによって構成している。好ましくは、上記の
閾素子において、有機フォトクロミック層を、スピロピ
ラン化合物から成る膜としている。

【０００９】また、本発明では、閾素子を、それぞれミ
ラー、透明電極及び液晶配向膜が形成され、液晶配向膜
が互いに対向するよう配置された２枚の透明基板と、前
記対向配置された透明基板の液晶配向膜間に狭持された
有機フォトクロミック層とによって構成しており、その
有機フォトクロミック層として、有機フォトクロミック
化合物を液晶に混合した混合物から成るものを用いてい
る。好ましくは、上記の閾素子において、有機フォトク
ロミック化合物がスピロピラン化合物としている。

【００１０】

【作用】本発明の閾素子は、上記のような構成としてい
るので、有機フォトクロミック層を挟んだファブリー・
ペロー型の光共振器構造となる。

【００１１】このような共振器のミラーに、入射光を入
射させると、その一部がミラーを透過して共振器の内部
に到達する。そして、その透過光は２枚のミラーの間で
反射を繰り返し、その一部が、ミラーを透過して出力さ
れる。このとき、共振器長が入射光の半波長の整数倍に
等しいと、次々に出力される透過光は位相が整合し、干
渉して強力な出力光を生じることになる。

【００１２】一方、ミラー間に挟まれた有機フォトクロ
ミック層、例えば有機フォトクロミック材料の代表的な
ものであるスピロピラン分子より成る層は、初期状態で
は無色であるが、紫外線照射によりメロシアニン型分子
に変化し、可視光領域の着色体となる。そして、この着
色体メロシアニン型分子は、可視光照射により、初期の
無色体スピロピラン型分子に戻る。即ち、紫外線と可視
光との照射により、吸光度と屈折率とが可逆的に変化す
る。

【００１３】したがって、本発明の閾素子では、ファブ
リ・ペロー型の共振器の内部で、このような光反応が行
われるので、ミラー間で立つ定常波との相互作用によ
り、入射信号光を透過する第１の状態と、入射信号光を
遮断する第２の状態をもつ顕著な光双安定性が観測され
ることとなる。この光双安定性は、前述のとおり、フォ
トクロミック反応によりスピロピラン分子の構造が変化
して吸収や屈折率の変化が引き起こされるために生じる
ものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照して説明する。図１は、本発明の閾素子の第１の実施
例の構造を示す断面図である。図１に示すように、ミラ
ー２及びミラー２’がそれぞれ配置された２枚の透明基
板１及び透明基板１’の間には、その中央部に有機フォ
トクロミック層３が形成されており、その外周部にスペ
ーサ４が設けられ、このスペーサ４によって透明基板１
及び透明基板１’が間隔を調整されて貼り合わされてい
る。

【００１５】透明基板１及び透明基板１’としては、光
処理に用いる光に対して透明なものであれば良い。有機
フォトクロミック層３として、本実施例では、有機フォ
トクロミック材料から成るラングミュア・ブロジェット
膜（ＬＢ膜）を用いており、この材料や作製法について
は後述する。スペーサ４としては、テフロンスペーサ、
ガラス球、チタンやＳｉＯ₂等の蒸着膜などを用いるこ
とができる。

【００１６】続いて、本実施例の閾素子の作製方法につ
いて説明する。透明基板１及び透明基板１’として、直
径が３０ｍｍで厚さ５ｍｍの円板状の石英基板を用い
た。そして、このそれぞれの石英基板上に、ミラー２及
びミラー２’として、誘電体多層膜ミラーを形成してい
る。この誘電体多層膜ミラー２，２’は、真空蒸着法を
用いて、ＨｆＯ₂とＳｉＯ₂とを交互に２１層積層して形
成した。このようにして形成したＨｆＯ₂とＳｉＯ₂との
誘電体多層膜ミラーの反射率は、２００ｎｍ〜５００ｎ
ｍの波長の光領域では３〜５％程度であり、６００ｎｍ
〜７００ｎｍの波長の光領域では９０％程度であった。
なお、透明基板１及び透明基板１’のミラー２及びミラ
ー２’を配置した反対側の面には、ＡＲコート（反射防
止コート）を施した。

【００１７】次に、有機フォトクロミック層を形成す
る。本実施例で用いた有機フォトクロミック材料は、下
記の化１で表されるオクタデシルスピロピラン化合物
（以下、ＳＰ１と称す）であり、成膜方法としてラング
ミュア・ブロジュット法（ＬＢ法）を用いた。

【００１８】

【化１】

【００１９】まず、あらかじめ、上記ＳＰ１とアラキジ
ン酸とを１：１の比率で混合したクロロホルム溶液を、
水面中に滴下する。すると、水面上に単分子膜が形成さ
れるので、ここにミラー２が配置された透明基板１を上
下に移動させて、単分子膜を４０層積層した。

【００２０】もう一方の透明基板１’側、すなわちミラ
ー２’の上には、スペーサ４として、Ｔｉ（チタン）膜
を３００ｎｍの厚さで外周部に真空蒸着法により形成し
た。次に、このようにスペーサ４を形成した透明基板
１’を、金属製ホルダーに取り付け、もう一方の透明基
板１を、スペーサ４と有機フォトクロミック層３が対向
するように、注意深くマイクロメータを用いて押付け
た。この状態で、張り合わせたミラーの側面に紫外線硬
化樹脂を塗布し、紫外線を照射して樹脂を硬化させて２
組のミラー基板を固定した。

【００２１】上記のようにして作製した閾素子につい
て、光学特性の評価を行った。その評価は、トリガー光
としてＨｅＣｄレーザ光（３２５ｎｍ）を照射し、信号
光としてＨｅＮｅレーザ（６３３ｎｍ）を閾素子を透過
させて、トリガー光強度変化に対する信号光の透過率変
化を、光パワーメータにより測定することにより行っ
た。その結果を図２に示す。図２より、トリガー光強度
が閾値（約１Ｗ／ｃｍ²）を越えると、信号光の透過光
（出力光）が急峻に大きく変化する閾値特性を確認でき
た。

【００２２】続いて、第２の実施例について説明する。
第２の実施例においては第１の実施例と異なる点は、有
機フォトクロミック層として、下記化２で表されるオク
タデシルスピロナフトオキサジン化合物（以下、ＳＰ２
と称す）から成る膜を、有機分子線蒸着法を用いて形成
したことと、図１のミラー２’として金属反射膜を用い
たことである。

【００２３】

【化２】

【００２４】まず、第１の実施例と異なる部分の素子作
製について説明する。第１の実施例と同様にして誘電体
多層膜ミラーが形成された透明基板（石英基板）の誘電
体多層膜ミラー上に、有機分子線蒸着法を用いて、ＳＰ
１を成膜する。このときの蒸着条件は、成膜時の真空度
を７×１０^-7とし、クヌーセンセル蒸着源を用いてその
温度を１７３℃とし、基板温度を２５℃とし、成膜チャ
ンバー底面に設けた３００ｎｍ以上の光を透過する透明
窓から水銀ランプ光源からの紫外線を光ファイバーを通
して照射しながら、蒸着を行い膜厚が１．５μｍのＳＰ
３膜を得た。

【００２５】上記のようにして形成したＳＰ２膜の有機
フォトクロミック層の上に、ミラーとして金属反射膜を
形成する。本実施例では、金属反射膜として、膜厚が３
００ｎｍの銀膜を真空蒸着法を用いて形成し、その透過
率は約５％となった。

【００２６】上記のようにして作製した第２の実施例の
閾素子の評価について説明する。トリガー光としてＨｅ
Ｃｄレーザ光（３２５ｎｍ）を、信号光としてＨｅＮｅ
レーザ（６３３ｎｍ）をそれぞれ用い、先述の第１の実
施例と同様にして評価した結果を図３に示す。図３よ
り、第２の実施例の閾素子についても、第１の実施例と
ほぼ同様に、トリガー光強度が閾値（約０．４Ｗ／ｃｍ
²）を越えると、信号光の透過光（出力光）が急峻に大
きく変化する閾値特性を確認できた。

【００２７】なお、上記第２の実施例では、有機分子線
蒸着法を用いて紫外線照射しながら有機フォトクロミッ
ク層を形成するものの一例について説明したが、ＳＰ２
とヘキサトリアコンタン等の長鎖アルカン分子とを交互
に積層した積層膜から成る有機フォトクロミック層も、
同様の成膜方法にて形成することができる。この場合、
有機フォトクロミック層の下地層として、ミラー上にス
テアリン酸層を形成してから、その上に有機フォトクロ
ミック層を形成しても良い。

【００２８】続いて、第３の実施例として、有機フォト
クロミック層を、有機フォトクロミック化合物を液晶に
混合した混合物から形成したものについて説明する。

【００２９】第３の実施例の閾素子の構造は、図４の断
面図に示すように、ミラー１２及びミラー１２’、透明
電極１５及び透明電極１５’、液晶配向膜１６及び液晶
配向膜１６’がそれぞれ配置された２枚の透明基板１及
び透明基板１’の間には、その中央部に有機フォトクロ
ミック化合物を液晶に混合した混合物から成る有機フォ
トクロミック層１３が形成されており、その外周部にス
ペーサ１４が設けられ、このスペーサ１４によって透明
基板１１及び透明基板１１’が間隔を調整されて貼り合
わされている。すなわち、第３の実施例の構造は、第
１、２の実施例の構造に加えて、透明電極１５、１５’
と液晶配向膜１６、１６’が備えられている。ただし、
ミラー１２、１２’として、銀膜などの導電性の金属反
射膜を用いる場合には、これが電極としても作用するの
で、透明電極１５、１５’を省いてもよい。

【００３０】第３の実施例の閾素子の作製について説明
する。第１の実施例と同様に、透明基板１１及び透明基
板１１’として、直径が３０ｍｍで厚さ５ｍｍの円板状
の石英基板を用いた。そして、このそれぞれの石英基板
上に、ミラー１２及びミラー１２’として、誘電体多層
膜ミラーを用いて、真空蒸着法を用いて、ＳｉＯ₂とＺ
ｒＯ₂とを交互に１６層積層して形成した。このように
して形成したＳｉＯ₂とＺｒＯ₂との誘電体多層膜ミラー
の反射率は、６３３ｎｍ近傍の波長に対して９５％程
度、３２５ｎｍ近傍の波長に対して数％程度であった。
なお、透明基板１１及び透明基板１１’のミラー１２及
びミラー１２’を配置した反対側の面には、ＡＲコート
（反射防止コート）を施した。次に、この誘電体ミラー
上に、透明電極１５及び透明電極１５’として、ＩＴＯ
膜をスパッタ法により膜厚３０．７ｎｍの膜厚で形成し
た。

【００３１】次に、このそれぞれのＩＴＯ膜上に、液晶
を配向させるための液晶配向膜１６及び液晶配向膜１
６’を形成する。本実施例では、γ−ブチロラクタンを
２倍に希釈し、スピンコート法を用いて、回転数が１５
００ｒｐｍ、２０秒間の条件で成膜した。そして、この
ように成膜したγ−ブチロラクタン膜にラビング処理を
施し、液晶配向膜とした。次に、この液晶配向膜が形成
された一方の透明基板１１の外周部上に、スクリーン印
刷を用いて熱硬化樹脂を塗布し、直径５μｍのビーズ状
スペーサ（ガラスビーズ）１４を熱硬化樹脂塗布部に配
置し、液晶配向膜１６及び液晶配向膜１６’が対向する
ように、２枚の透明基板１１及び透明基板１１’を重ね
合わせる。ただし、ここで、後に有機フォトクロミック
化合物を液晶に混合した混合物を注入するための注入口
を設けておいた。上記のように重ね合わせた透明基板１
１及び透明基板１１’に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を照射し
て仮止めをし、これらの基板が平行になるよう、干渉縞
を観察して調整した後、オーブンを用いて熱硬化樹脂を
完全に硬化させ、セルを作製した。

【００３２】次いで、有機フォトクロミック化合物を液
晶に混合することについて説明する。本実施例では、有
機フォトクロミック化合物としてＳＰ２（オクタデシル
ナフトオキサジン化合物）を用い、このＳＰ２を５％ｗ
／ｗの割合で、下記化３で表されるネマチック液晶（以
下、ＬＣ１と称す）に混合した。

【００３３】

【化３】

【００３４】このようにしてＳＰ２にＬＣ１を混合した
混合物を、上記のセルの注入口から、真空雰囲気の真空
ベルジャー内で注入し、最後にセルの注入口を樹脂を用
いて封止して、閾素子の作製を完了した。

【００３５】第３の実施例の閾素子の製造において、有
機フォトクロミック層の形成は、真空雰囲気中でセルの
注入口から有機フォトクロミック化合物と液晶との混合
物を注入するだけでよく、ＬＢ法を用いた第１の実施例
や有機分子線蒸着法を用いた第２の実施例に比較する
と、非常に容易で確実に行うことができ、製造コストも
非常に安価に抑えることができ、大量生産に適してい
る。

【００３６】上記のようにして作製した第３の実施例の
閾素子の光学特性の評価は、透明電極１５、１５’（Ｉ
ＴＯ膜）に１ｋＨｚの交流電圧１０Ｖを印加して、トリ
ガー光としてＨｅＣｄレーザ光（３２５ｎｍ）を、信号
光としてＨｅＮｅレーザ（６３３ｎｍ）をそれぞれ用
い、先述の第１、２の実施例と同様にして信号光の透過
光強度の測定を行った。その結果は、図５に示すよう
に、第３の実施例の閾素子についても、第１、２の実施
例とほぼ同様に、トリガー光強度が閾値（約８Ｗ／ｃｍ
²）を越えると、信号光の透過光（出力光）が急峻に大
きく変化する閾値特性を確認できた。

【００３７】なお、上記第３の実施例では、有機フォト
クロミック化合物としてＳＰ２を用いたが、これに限定
されるものではなく、前述のＳＰ１や下記化４で表され
るＳＰ３（オクタデシルスピロオキサジン化合物）等の
スピロピラン化合物や、ジアリールエテン化合物、アゾ
ベンゼン化合物なども用いることができ、これらの有機
フォトクロミック化合物の複数を混合するようにしても
良い。

【００３８】

【化４】

【００３９】また、液晶材料についても、上記第３の実
施例に限定されるものではなく、下記化５及び化６で表
されるＬＣ２及びＬＣ３等のようなネマチック液晶や、
強誘電性液晶等も用いることができる。

【００４０】

【化５】

【００４１】

【化６】

【００４２】なお、誘電体多層膜ミラーは、上記実施例
に限定されるものではなく、高屈折率膜と低屈折率膜と
を多層に積層したものであれば良く、またこれらの屈折
率や積層数などは、用いる光の波長等により適宜設定さ
れるものである。

【００４３】本発明の閾素子を作製するためには、有機
フォトクロミック層の形成において、精密に膜厚を制御
して形成する必要がある。有機フォトクロミック層の膜
厚を精密に制御して形成するには、ラングミュア・ブロ
ジェット法（ＬＢ法）、真空蒸着法、分子線蒸着法等を
用いることができる。

【００４４】また、有機フォトクロミック層として、有
機フォトクロミック化合物を液晶に混合した混合物を用
いる場合には、ガラス球などのスペーサを用いて、２枚
のミラー間に隙間を設け、その空間に注入すれば良い。

【００４５】本発明の閾素子に用いとことができる有機
フォトクロミック化合物としては、下記のようなものが
ある。

【００４６】1,3,3,-トリメチルインドリノ-6'-ニトロ
ベンゾスピロピラン、1,3,3,-トリメチルインドリノ-6'
-ニトロ-8'-メトキシベンゾスピロピラン、1,3,3,-トリ
メチルインドリノ-5'-ニトロ-8'-メトキシベンゾスピロ
ピラン、1,3,3,-トリメチルインドリノ-6'-8'-ジブロモ
ベンゾスピロピラン、1-(オクタデシル),3,3,-トリメチ
ルインドリノ-6'-8'-ジブロモベンゾスピロピラン、1,
3,3,-トリメチルスピロ[インドリノ-2,3-ナフトオキサ
ジン]、1-(オクタデシル)3,3,トリメチルスピロ[インド
リノ-2,3-ナフトオキサジン]、2,3-ビス(2-メチルイン
ドリル)マレイン酸無水物、2,3-ビス(2-メチルベンゾイ
ンドリル)マレイン酸無水物、2,3-ジチエニルマレイン
酸無水物、非対称ジアリールペンフルオロシクロペンテ
ン、ビスベンゾチエニルペルフルオロシクロペンテン、
フルギド、チオインジゴ、アゾベンゼン、4-メトキシア
ゾペンゼン。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、本発明の閾素子は、有機
フォトクロミック層の光誘起屈折率変化と、光共振器構
造による光干渉効果を利用しているので、閾素子のミラ
ー面に照射したトリガー光の強度が比較的小さなある閾
値を越えることにより、信号光の透過率を急峻に増加さ
せることができるという優れた閾値特性を得ることがで
きる。このような本発明の閾素子による閾値特性は、光
ニューラルネットワークシステムを構築するうえで、非
常に有効な機能として用いられるものであり、例えば、
画像パターンの２値化処理に応用することができる。

【００４８】更に、請求項１〜２に記載の発明によれ
ば、光のみで上記のような光学的処理を行うことができ
るので、光ニューラルネットワークシステムの構成を非
常に簡素化することができる。

【００４９】また、請求項３〜４に記載の発明によれ
ば、有機フォトクロミック層の形成が、非常に容易で確
実に行うことができ、製造コストも非常に安価に抑える
ことができ、大量生産に適している。

【００５０】また、本発明の閾素子は、従来の光学素子
よりも比較的低パワーのトリガー光を用いて、閾値特性
が得られるので、大規模な光ニューラルネットワークシ
ステムを構築することができる。

【００５１】また、本発明の閾素子は、有機材料を用い
た簡単な構成で素子を実現できるので、比較的低コスト
で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の閾素子の構造を示す要部断
面図である。

【図２】第１の実施例の閾素子についてトリガー光強度
変化に対する信号光の透過率変化を測定した結果を示す
図である。

【図３】第２の実施例の閾素子についてトリガー光強度
変化に対する信号光の透過率変化を測定した結果を示す
図である。

【図４】本発明の一実施例の閾素子の構造を示す要部断
面図である。

【図５】第３の実施例の閾素子についてトリガー光強度
変化に対する信号光の透過率変化を測定した結果を示す
図である。

【符号の説明】

１，１’，１１，１１’ 透明基板２，２’，１２，１２’ ミラー３，１３有機フォトクロミック層４，１４スペーサ１５，１５’ 透明電極１６，１６’ 液晶配向膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれミラーが形成され、該ミラーが
対向するように配置された２枚の透明基板と、該透明基
板のミラー間に狭持された有機フォトクロミック層より
なる閾素子。
【請求項２】請求項１に記載の閾素子において、前記
有機フォトクロミック層がスピロピラン化合物から成る
ことを特徴とする閾素子。
【請求項３】それぞれミラー、透明電極及び液晶配向
膜が形成され、前記液晶配向膜が対向するよう配置され
た２枚の透明基板と、前記透明基板の液晶配向膜間に狭
持された有機フォトクロミック化合物と液晶との混合物
から成る層を有することを特徴とする閾素子。
【請求項４】請求項３に記載の閾素子であって、前記
有機フォトクロミック化合物がスピロピラン化合物であ
ることを特徴とする閾素子。