JPS61201214A - 光変調装置 - 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】 （１）技術分野 本発明は、光表示用、光記録用、光結合用、光通信用、
光演算用等の各種装置に好適な光変調装置に関する。

（２）従来技術 従来、光変調装置として代表的なものにはＰＬＺＴ、Ｂ
ＳＯ等の電気光学結晶や液晶を利用した装置があった。

電気光学結晶を利用した装置には、スライスした電気光
学結晶面上に交差した櫛状電極を設けて前記電気光学結
晶の前後に偏光子及び検光子を備え、前記櫛状電極に電
界を印加する車により結晶内の複屈折性を変化させて偏
光子、電気光学結晶、検光子より成る装置を透過する光
束の制御を行なう装置がある。この装置は比較的応答特
性に優れて単色光に対するコントラスト比も高いが、通
常、駆動電圧が１００Ｖから数ＫＶと非常に高く、しか
も大面積比が困難であるという欠点を有していた。

又、液晶を利用した装置としては、互いに直交する方向
に配向処理を施した透明電極間に液晶を充填して液晶を
螺旋状に配向させ、静的状態では互いに直交する偏光板
を光束が透過し、電界印加時は液晶が電界方向に配向さ
れ光束が出射側に設置された偏光板で遮断されて透過が
不可能となる装置がある。この様な液晶を利用した装置
は駆動電圧が低く比較的材料が安価であるが、スイッチ
ング応答速度や温度安定性等に問題があり、コントラス
ト ども満足できるものではなかった。

上述した代表的な光変調装置はもちろんのこと従来の大
部分の光変調装置は、入射光として特定の偏光特性を有
する光、通常直線偏光させたものを利用する為に、ラン
ダムな偏光を有する入射光に対して偏光板を使用せざる
を得す、入射光が偏光板を透過する際に光利用効率が大
きく低下していた。

（３）発明の概要 本発明の目的は、従来の欠点を除去し、任意の偏光特性
を有する入射光に対して高い光利用効率を備えた光変調
装置を提供する事にある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る光変調装置は、
光学的等方性を有する第１の物質と、光学的異方性と光
学的等方性の２つの状態が制御可能な第２の物質との界
面でグレーティングを形成し、前記第２の物質が光学的
異方性の状態に於て、任意の偏光特性を有する入射光の
互いに直交する２つの偏光成分が、前記光学的異方性を
有する第２の物質に対して感じる個々の屈折率ｎ１　、
ｎ２と前記第１の物質の屈折率ｎｇとに所定の関係を与
える事により、前記任意の偏光特性を有する入射光を前
記グレーティングで回折せしめ、前記第２の物質が光学
的等方性の状態に於て、該光学的等方性を有する第２の
物質の屈折率ｎｉと前記第１の物質の屈折率ｎｇがほぼ
等しくなるよう設定した事を特徴としている。

上記屈折率ｎｌ，ｎ２及びｎｇの間に於る所定の関係は
、上記グレーティングの形状により異なり、例えば、入
射光の波長を入０、グレーティングの厚さをＴとして、
該グレーティングの形状が三角波状の場合、以下の式で
表わす事ができる。

ｌ　ｎｌ−ｎｇ　ｌ　ｓＴ＝ｍｔ入Ｑ　　（ｍｌ＝１．
２，３，−−−−）且つ、 Ｉｎ２−ｎｇ｜・Ｔ＝ｍ２λＱ　　（ｍ２＝１．２，３
，−−−−）又、矩形状グレーティングの場合は、 ■ Ｉｎｔ−ｎｇ｜’ｓＴ＝（ｙ＋４ｔ）入ｏ　　（ｉ＝ｏ
，１，２，−−−−）且つ、 ｌｎ２−ｎｇ｜・Ｔ＝（ｙ−Ｈ３Ｐ）　入０　　（ｕ２
＝ｏ，１，２，−−−−）更に，正弦波状グレーティン
グの場合は、１　　０、０５０６６１ １ｎｌ−ｎｇ｜ＩＩＴ　：入０（”　　４”　　４ｋｌ
−１（ｋ１＝１　、　２　、　３　、−−−）且つ、 Ｉ　ｎ２−ｎｇしＴ；入０（ｋ２　１＋０．０５（と旦
」ｉ」−４　　４に２−１ （ｋ２＝　１　、　２　、　３　、　−−−−’）で表
わす事ができる。

」二記第１の物質としては、例えばガラス。

５ｉ０２．ＭｇＯ，ＫＣＪＩ、ＮａＣ１，ＫＢｒ。

Ｓ　ｒＴｉ０３　、ＰＭＭＡ　（ポリメチル番メタクリ
レ−１・）、ポリスチレン、ポリカーハネ−１・。

ＰＶＫ　（ポリビニル・カルバゾール）、エポキシ樹脂
、フオ］・レジスト等が好適である。又−上記第２の物
質は温度、圧力、電界、磁界等により光学的状態が変わ
るもので、例えば液晶、ＰＬＺＴ、ＬｉＴａＯ３，Ｇｄ
２（Ｍｏ０４）３゜Ｂ１４Ｔ３０１２．Ｂ１２５ｉ０２
０．ＢａＴｉＯ３。

Ｂａ２ＮａＮｂ０１５，５ｂＳＩ　、ＰｂＴｉＯ３。

ＮａＮＯ２、ＣｕＣ１，ＴｉＯ２、ＭｇＦ２等が挙げら
れる。特に、ネマチック液晶や強誘電性液晶は屈折率差
（異常屈折率と常屈折率の差）が大きく、制御方法が簡
単である為に好適な物質である。

上記グレーティングの形状は、矩形状、三角波状、正弦
波状等各種形状を使用する事が可能で、該グレーティン
グ形状、第１及び第２の物質は本装荷の作成上に於る容
易性、仕様に係る条件等により決定されるものである。

又、第１の物質の状態を変化させる手段としては、前述
の様に温度（熱）、圧力、電界、磁界等が有り、温度で
制御する場合はヒーター、電界で制御する場合は電極等
を装置に備える。

本光変調装置は、任意の偏光特性を有する光、即ち通當
の光源より出射されるランダムな偏光成分を持つ光を互
いに直交する２つの偏光成分を有する個々の光と考え、
各々の偏光成分に対する光変調を同時に行なう事により
任意の偏光特性を有する光に対する変調を可能としてい
る。又、本装置を使用する場合、透過光及び反射光を変
調光として利用する事ができる。

従って、透過光を利用する場合は本装置の構成部材は使
用光に対して透明性を有していなければならず、反射光
を使用する場合は基板もしくは所定の部材に反射性のも
のを用いるか反射膜を設ける必要がある。

（４）実施例 第１図及び第２図は本発明に係る光変調装置の構成例で
、ｌは光学的異方性と光学的等方性の２つの状態を制御
する事が可能な物質（以下、光学的状態可変物質と記す
。）、２は光学的等方性物質、３は透明ヒータ、４は透
明基板、５は入射光、６，６′は入射光５の互いに直交
する偏光成分を示す。又、図中の■印は初期状態に於る
光学的状態可変物質１の光学軸の方向を示し、該光学軸
はグレーティングの溝方向（紙面垂直方向）を向いてい
る。又、入射光の偏光成分の内■印はグレーティング溝
方向、０印はグレーティングの配列方向を指している。

第１図（Ａ）に係る装置は、光学的状態可変物質１と光
学的等方性物質２によって三角波状グレーティングが形
成され、光学的状態可変物質１に接して透明ヒータ３が
設けられている。

透明ヒータ３により光学的状態可変物質ｌの状態を変化
させてグレーティングの特性を制御し、入射光５の変調
を行なう。以下、第１図（Ｂ）〜（Ｄ）に示す装置は全
て三角波状グレーティングを有し、光学的状態可変物質
ｌの状態を透明ヒータ３を介し熱によって制御する装置
であるが、（Ｂ）に於ては透明基板４自体をグレーティ
ング状即ち光学的等方性物質２とし、（Ｃ）に於ては透
明ヒータ３をグレーティング状即ち光学的等方性物質２
とし、（Ｄ）に於てはグレーテイング面に沿って透明ヒ
ータ３を形成したものである。

第２図（Ａ）、（Ｂ）はグレーティング形状の異なる光
変調装置の一例であり、（Ａ）に於ては光学的状態可変
物質１と光学的等方性物質２の界面で矩形状グレーティ
ングを形成し、（Ｂ）に於ては正弦波状グレーティング
を形成している。本実施例の装置でも光学的状態可変物
質ｌの状態を制御する為に透明ヒータ３を設けている。

以上、第１図及び第２図に示した実施例に於て光学的状
態可変物質ｌの光学軸はグレーティング溝方向を向いて
いる。しかし初期状態に於る光学軸の方向は入射光の進
行方向を向いていない限り任意の方向に設定できる。但
し、好ましくは入射光の進行方向に対する光学軸方向の
両方向を含む平面内に於る角度θがθ≧３０’であれば
、より良好に水装置は機能する。この角度θは光学的状
態可変物質、入射光の偏光特性、作成上及び装置の仕様
に対する条件等により決まる。

以下、図面を用いて来光変調装置の変調原理を説明する
。第３図は来光変調装置の変調原理説明図で、７．７′
は高次回折光、８は零次透過光を示し、第１図と同じ部
材及び記号には同番号を付しである。尚、装置の構成は
第１図（Ａ）の装置と同じものである。

一般にランダムな偏光方向を持つ光５は、図示している
様に、その成分を直交する２つの偏光成分６．６′に分
けて考える事が可能である。

来光変調装置の透明ヒータ３に電流を通電していない静
的状態に於て、光学的状態可変物質ｌは光学的異方性を
示し、その光学軸はグレーテイング溝方向を向いている
。この時、入射光５の偏光成分６は偏光方向が光学的状
態可変物質１の光学軸方向と一致し、光学的状態可変物
質１の異常屈折率ｎｅを感じる。又、偏光成分６′は偏
光方向が光学的状態可変物質１の光学軸方向と直交して
常屈折率ｎｏを感じる。更に、光学的等方性物質２に対
しては、入射光５は偏光成分に係わらず屈折率ｎｇを感
じる。従って、グレーテングを感じる。

次に透明ヒータ３によって光学的状態可変物質１に熱を
加え、光学的状態可変物質１の温度を臨界温度以上にす
る。この時、光学的状態可変物質１は等方性物質に変化
し、入射光５の任意の偏光成分、即ち偏光成分６，６′
は共に等方性となった光学的状態可変物質１の屈折率ｎ
ｉを感しる。従って、任意の偏光成分が屈折率ｎｉとｎ
ｇから成るグレーティングを感じる事になる。

ここで入射光５の波長を入０、入射光の円偏光成分６，
６′に対するグレーテングを形成する物質１．２の屈折
率差をΔｎ、グレーテイング層の厚さをＴとすれば、第
３図に示す様な三角波状グレーテングに於る零次透過回
折光８の回折効率η０は次の（１）式で表わせる。

’７０＝ｓ　ｉ　ｎｃ２　（ｗ”且−４）　−−−−（
１）入０ （１）式に於て、△ｎ　舎Ｔ　＝　Ｏｃ７）時η０”−
を即ち生じる回折光は零次透過光８のみとなり高次回折
光７．７′は発生しない。又、△ｎ−Ｔ＝ｍ入０　（ｍ
＝　１　、２　、３、−−−−）の時ηＱ＝０即ち零次
透過回折光８は発生せず、入射光５の持つエネルギーの
殆どは高次回折光７，７′のエネルギーとなり出射する
。従って、本実施例の場合、光学的状態可変物質ｌの屈
折率ｎｅ。

ｎ□　、ｎ＋、光学的等方性物質２の屈折率ｎｇ、及び
入射光の波長入０の間で下記（２）。

式を満足する様に設定しておけば、入射光５の偏光成分
６．６′は共にΔｎＴ＝ｍ入Ｏを満足し静的状態に於て
零次透過回折光８は発生しない。又、透明ヒータ３によ
って光学的状態可変物質ｌの状態を光学的等方性（屈折
率ｎｉ）に変えた時は、入射光５は全てグレーティング
を透過し零次透過回折光８となり出射する。

以上の説明から解る様に、ランダムな偏光成分を有する
光であっても、その互いに直交する偏光成分に対して同
一装置で同時に光変調を行なう事により、光利用効率を
低下させる事なく変調可能である。又、本実施例では、
垂直入射光に対し零次透過回折光を変調光として取り扱
ったが、入射角度は任意の角度で良く、変調光として利
用する光は高次回折光でも構わない。

尚、第２図を用いて述べた様に、光学的状態可変物質ｌ
と光学的等方性物質２によって形成されるグレーティン
グの形状は各種形状が存在する。この場合、（１）式で
示した零次透過回折光の回折効率η０の式はグレーティ
ング形状によって異なる。例えば、第２図（Ａ）に示す
矩形状グレーティングに於ては次の（３）式になる。

＝１　　　　　　△ｎＴ ηｏ　−ｙ　（１＋　ｃ　ｏ　ｓ　（２％丁）　）　　
　　　　　−−−−（３）但し、（３）式の場合、　△
ｎ”ｒ＝ｉｌ入ｏ　（１＝ｏ、　ｌ　。

■ ２−一−−）の時ηＯ＝１、Δ訂＝憤＋文２）入○（文
２−ｏ。

１　、２　、−−−−）　　の時ηＱ＝０となる。

以下、第２図（Ａ）に示す本光変調装置の作成過程と性
能評価の結果を記す。尚、光学的状態可変物質１として
ネマチック液晶を、光学的等方性物質２として光学ガラ
スを用いた。

第４図は本光変調装置の作成過程を示す図で、第２図（
Ａ）と同じ部材には同番号を付す。又、９はグレーティ
ング溝方向に配向した液晶、ｉｏはＡ文膜を示す。

ＢａＦ２ガラス（２５Ｘ２５Ｘ１ｍｍ３）　（７）両面
を光学研磨及び洗浄して作成したガラス基板２上にＲＤ
−２００ＯＮ　（日立製作所製ネガ型レジスト）をスピ
ナー塗布し厚さ８０００人のレジスト膜を形成した。こ
のガラス基板２を１４０°Ｃｌ２Ｏ分間のブリベーキン
グした後、遠紫外光によるマスク露光、現像処理及びリ
ンス処理を行ない、ピッチ６ｇｍのレリーフ状レジスト
グレーティングを形成した。次にｃＦ４−ｏ２Ｈ２％ス
を用いたイオン・エツチング法によりガラス基板２を深
さ６．３ｐＬｍに食刻し第４図（Ａ）に示す基板を製作
した。

続いて、上記基板同様の処理を施したＢａＦ２ガラス基
板４　（５０Ｘ　２５　Ｘ　１　ｍ　ｍ　３　）を用意
し、イオンブレーティングによりガラス基板４に透明ヒ
ータ３としてＩＴＯ膜を第４図（Ｂ）に示す所定位置に
成膜した。その後、上記ＩＴＯ膜の両端にＡＩＬ膜１０
から成るリード部を分子ビーム蒸着法で厚さ１０００久
に成膜した。

上記２枚の基板を、グレーティング領域と透明ヒータ領
域とが相対する様に貼り合わせ、ネマチック液晶Ｅ７　
（ＢＤＨ社製）９を充填後シールした。（第４図（Ｃ）
） 第４図（Ｃ）に示す本光変調装置に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ
（入−６３２８人）を光源として用い、ランダムな偏光
成分を有する光を直接垂直入射させて零次透過回折光の
回折効率を測定した。測定系の周囲温度を約２０°Ｃに
保ち透明ヒータ３に電流を印加しない状態に於て、液晶
９はネマチック相でありグレーティング溝方向に配向し
ている。この時、グレーティングの配列方向に平行な偏
光成分は液晶９の常屈折率ｎＱ＝１．５２を感じ、グレ
ーティングの溝方向に平行な偏光成分は液晶９の異常屈
折率ｎｅ＝１．７２を感じる。又、ガラス基板２に対し
ては再編光成分屈折率ｎｇ＝１．５７を感じる。従って
再編光成分共（１）式に於てη０＝０と成り、入射光は
全て高次回折光となって出射し零次透過回折光は発生し
なかった。次に透明ヒータ３に電流を印加したところ、
液晶９は液層即ち光学的等方性物質に変化して等方性屈
折率ｎ１＝１．５７を示した。コノ時ｎｉ＝ｎｇでｉｉ
Ｆ＋る為、入射光に対してグレーティングは存在しない
事になる。（Δｎ−Ｔ＝Ｏ）従って、入射光は素通りし
て零次方向へ出射した。測定によれば、零次透過回折光
の回折効率は電流通電の有無により１％から８０％の間
で変化した。

（５）発明の詳細 な説明した様に、本発明に係る光変調装置は、偏光板が
不要であり、任意の偏光特性を有する光に対し高い光利
用効率を備えた装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る光変調装置の構成例を
示す図。第３図は本光変調装置の変調原理説明図。第４
図は本光変調装置の作成過程の一例を示す図。 １−一一一光学的状態可変物質 ２−一一一光学的等方性物質 ３−一一一透明ヒーター ４−一一一透明基板 ５−一一一人射光 ６　、６’−−−一互いに直交する偏光成分７　、７’
−−−一高次回折光 ８−一一一零次透過（回折光） ９−ｍ−一液晶 １０−−−−Ａ文電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学的等方性を有する第１の物質と、光学的異方
   性と光学的等方性の２つの状態が制御可能な第２の物質
   との界面でグレーティングを形成し、前記第２の物質が
   光学的異方性の状態に於て、任意の偏光特性を有する入
   射光の互いに直交する２つの偏光成分が、前記光学的異
   方性を有する第２の物質に対して感じる個々の屈折率ｎ
   ＿１、ｎ＿２と前記第１の物質の屈折率ｎｇとに所定の
   関係を与える事により、前記任意の偏光特性を有する入
   射光を前記グレーティングで回折せしめ、前記第２の物
   質が光学的等方性の状態に於て、該光学的等方性を有す
   る第２の物質の屈折率ｎｉと前記第１の物質の屈折率ｎ
   ｇがほぼ等しくなるように設定した事を特徴とする光変
   調装置。
2. （２）前記グレーティングが三角波状を成し、その厚み
   をＴ、入射光の波長をλ＿０とした時、｜ｎ＿１−ｎｇ
   ｜・Ｔ≒ｍ＿１λ＿０（ｍ＿１＝１、２、３、−−−）
   ｜ｎ＿２−ｎｇ｜・Ｔ≒ｍ＿２λ＿０（ｍ＿２＝１、２
   、３、−−−）を同時に満足する事を特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項記載の光変調装置。
3. （３）前記グレーティングが矩形状を成し、その厚みを
   Ｔ、入射光の波長をλ＿０とした時、｜ｎ＿１−ｎｇ｜
   ・Ｔ≒（１／２＋ｌ＿１）・λ＿０（ｌ＿１＝０、１、
   ２、−−−）｜ｎ＿２−ｎｇ｜・Ｔ≒（１／２＋ｌ＿２
   ）・λ＿（ｌ＿２＝０、１、２、−−−）を同時に満足
   する事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の光
   変調装置。
4. （４）前記グレーティングが正弦波状を成し、その厚み
   をＴ、入射光の波長をλ＿０とした時、｜ｎ＿１−ｎｇ
   ｜・Ｔ≒λ＿０［ｋ＿１−（１／４）＋０．０５０６６
   １／（４ｋ＿１−１）−０．０５３０４１／（４ｋ＿１
   −１）＾３＋０．２６２０５１／（４ｋ＿１−１）＾５
   −−−］（ｋ＿１＝１、２、３、−−−） ｜ｎ＿２−ｎｇ｜・Ｔ≒λ＿０［ｋ＿２−（１／４）＋
   ０．０５０６６１／（４ｋ＿２−１）−０．０５３０４
   １／（４ｋ＿２−１）＾３＋０．２６２０５１／（４ｋ
   ＿２−１）＾５＋−−−）（ｋ＿２＝１、２、３、−−
   −） を同時に満足する事を特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項記載の光変調装置。