JPS62237424A - 光変調素子 - 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】 く技術分野〉 本発明は、光変調素子、特に回折格子と屈折率可変物質
とを組合せて屈折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ッチングを行ない入
射光の変調をする所謂ＴＮ（ツウイストネマツチク）型
の液晶表示素子がある。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枚の偏向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
晶表示素子があるが、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７５％程度であった
。

一方、＃公開５３−３９２８号公報やＵＳＰ４．２５１
．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可変減色フィルター素子が開示
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１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に開示されている可
変減色フィ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、少なくとも
一方が光学的に等方性の回折格子構造を有する基板間に
屈折率可変物質、例えば液晶を充填し、該液晶に電界を
印加することにより液晶の屈折率を変化させ１回折格子
による回折効果を利用して光の変調を行う第１の装置と
し任意の偏光成分を有する入射光の変調を行うために一
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第２の装置からなっている。

しかしながら、ここで示される如き素子構成では、特に
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。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の欠点に鑑み、光束利用効率
に優れ且つ良好な回折作用を生じせしめることが可能で
、表示素子として用いる際に良好な表示状態を成し得る
光変調素子を提供することにある。

上記目的を構成する為に１本発明に係る光変調素子は、
複数の基板と隣接する基板間の相対する少なくとも一方
の面に存する回折格子と該複数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
とを有する素子であって、前記回折格子の上部と対向す
る基板面との間隔もしくは対向する回折格子上部の間隔
をＴＯ１前記屈折率可変物質の光変調時の屈折率変化量
をΔｎとする時、 Δｎ＠’ｒ（、≦０．０５５（ｇｍ） を満足する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、ＰＬＺＴ、ＬｉＮｂＯ２、ＬｉＴａＯ３。

ＴｉＯ２、ＰＭＭＡ、ＣＣｌ４．ＫＤＰ、ＡＤＰ、Ｚｎ
Ｏ，ＢａＴｉＯ２，Ｂ１１１２Ｓｉ０２ｏ。

Ｂａ２ＮａＮｂ５０１５．ＭｎＢ１　、ＥｕＯ。

ＣＳ２　、Ｇｄ２（ＭｏＯａ）　３．Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１
２、ＣｕＣ１，ＣａＡｓ、ＺｎＴｅ、−Ａｓ２Ｓｅ３．
Ｓｅ、ＡｓＧｅ５ｅＳ、ＤＫＤＰ。

ＭＮＡ　、ｍＮＡ　、ＵＲＥＡ　、７オトレジスト等が
挙げられる。特に、正及び負のネマチック液晶や強誘電
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
ーティングの作成方法には、フォトリングラフイーとド
ライエツチングを組み合わせた方法、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、本発明に於いては、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、非対称形状等各種形状の回折格子が適
用される。

〈実施例〉 第１図は本発明に係る光変調素子の基本構成図を示し１
本光変調素子の機能説明図を兼ねている。図中、１は液
晶に代表される屈折率可変物質、２は使用波長に対して
透明な物質から成る回折格子、３は透明電極、４は透明
光学部材から成る透明基板、５は所定の偏光特性を有す
る入射光、６及び６′は入射光５の互いに直交する偏光
成分で、６は紙面垂直方向、６′は紙面に平行な方向を
示している。

本光変調素子は一対の透明基板４の対向する面上に透明
電極３を形成して、一対の透明基板４の一方の透明電極
３上に透明物質から成る矩形状の回折格子２を設けてお
り、屈折率可変物質１が回折格子２の溝部（凹部）に配
され、透明電極３を介して電界又は熱を印加されること
によりその屈折率が可変となっている。

以下、第１図を用いて本光変調素子の変調原理を説明す
るが、説明を容易にする為に屈折率可変物質１を以後液
晶１とし、電界印加により液晶ｌの配向状態を制御する
ことで所定の回折作用を生じせしめるものとする。

第１図に示す如く電界が印加されていない静的状態に於
て、液晶１は回折格子２の溝方向即ち紙面垂直方向に配
向され、所謂ホモジニアス配向の状態を維持している。

従って、この静的状態の本光変調素子に入射する入射光
５の偏光成分６．６′の内、液晶ｌの配向方向と直交す
る成分である偏光成分６′は液晶ｌの常屈折率ｎ。

を感じ、又、液晶１の配向方向と平行な成分である偏光
成分６は液晶１の異常屈折率ｎｅを感じる。ここで、回
折格子２を成す物質の屈折率をｎｇ、入射光５の波長を
入、回折格子２の厚さをＴとすれば、矩形状の回折格子
の場合、入射光５の偏光成分６．６′の夫々に対する零
次透過回折光の回折効率ηＯは、近似的に次に（１）式
で表わせる。

但し、Δｎは回折格子２の屈折率ｎｇと液晶ｌの屈折率
ｎｅもしくはｎｏとの屈折率差を示しており、入射光５
の偏光成分６に対してはΔｎ＝　ｌ　ｎｅ−ｎｇ　ｌ　
、偏光成分６′に対してはΔｎ＝Ｉｎｇ−ｎｏｔとなる
。

・　従って、（１）式からΔｎ＝Ｏすなわちｎｅ＝ｎｇ
又はｎｏ＝ｎｇの時に零次透過回折光の回折効率η０は
η０＝１となり、又、 （ｍ＝　０　、１　、２　、３−−−−）の時に回折効
率η０はη０＝Ｑとなる。

次に、透明電極３を介して液晶ｌに電界を印加する場合
、液晶ｌの配向方向（光学軸方向）が徐々に変化し、入
射光５に於る偏光成分６′は電界印加に無関係に常時液
晶１の常屈折率ｎ。

を感じ、偏光成分６は電界印加量に従うて液晶ｌの異常
屈折率ｎ６と常屈折率ｎ□とが所定の比率で合成された
合成屈折率ｎｅ感じる。言うまでもなく、液晶ｌの配向
方向の変化に伴なって合成屈折率ｎｏは変化する。更に
電界印加量を強めると、液晶１は基板４（透明電極３）
に垂直に配向され、所謂ホメオトロピック配向状態とな
る為に入射光５の偏光成分６，６′は共に液晶の常屈折
率ｎｏを感じ位相する。

尚、この状態に於ても入射光５は前記（１）式に従い変
調される。

第２図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る光変調素子の一実
施例を示す図で、第１図に示した基本構成を有する２つ
の素子を１回折格子の配列方向が互いに直交する様に重
畳させた光変調素子である。図中、第１図と同部材には
同符号が符してあり、４′は透明基板で、ここではスペ
ーサを兼ねている。又、第２図（Ａ）の光変調素子は最
も外側の２つの基板４に回折格子２を配し、透明基板４
′をスペーサとして透明基板４′と透明基板４との間に
液晶１を封入している。一方、８２図（Ｂ）の光変調素
子は最も外側の一方の透明基板４とスペーサを成す透明
基板４′の同一方向の面に回折格子２を形成しており、
第２図（Ａ）同様透明基板４′と透明基板４との間に液
晶１を封入している。

第１図を用いて説明した様に、単一の回折格子２を用い
て光変調を行なう場合、例えば液晶ｌの配向状態を電界
等によりホモジニアス配向かもホメオトロピック配向に
変化させた際、第１図に於る入射光５の偏光成分６は変
調を受けるが、偏光成分６′は感じる屈折率が変化しな
い為に変調を受けず、入射光５がランダムな偏光特性を
有する時は実質的に５０％の光しか変調出来ないことに
なる。しかしながら、第２図（Ａ）、（Ｂ）に示す如き
重畳した構成を採ることにより、入射光５の夫々の偏光
成分６，６′に対して個々の回折格子２が独立して回折
作用を及ぼし、全ての偏光成分の光を変調可能にするも
のである。

以下、第２図（Ａ）、（Ｂ）の光変調素子を構成する部
材に関して詳述すると、透明基板４．４′として厚さ０
．３　ｇ　ｍの白板ガラスを用い、透明基板４の液晶１
側の面には厚さ５００人のＩＴＯ膜から成る透明電極（
不図示）を。

透明基板４′の両面に厚さ５００人のＩＴＯ膜から成る
透明電極（不図示）を形成し、回折格子２は透明電極の
上部に高さＴ＝１．５ＪＬｍ、　　ピッチΔ＝１．５ｇ
ｍとなる様に５ｉ０２をＣＦ４をエツチングガスとして
用いてＡＮＥＬＶＡＥＣＲでドライエツチングにより作
成している。又、液晶ｌとしてはロシュ製の正誘電性ネ
マチック液晶（Δｎ＝０．２６）を用いて、透明基板４
．４′間に充填した。

本実施例に於ては素子を組立てる際にセルギャップ即ち
、透明基板４．４′間の厚さく液晶１の厚さ）を１．７
ｇｍとしてあり、これにより回折格子２の上部と対向す
る透明基板４．（４’）面との間隔Ｔｏを０．２　ｇ　
ｍ程度に抑えている。

この０．２１Ｌｍという値は１本光変調素子に白色光を
入射させ表示素子もしくは色フィルターとして用いる際
に視感度が最も高い波長の光、即ち、波長０．５５　ｇ
　ｍの約１／１０にΔｎ−”ｒ□の値がなる様に設定し
て得られるものである。

即ち、Δｎ−Ｔ□＝０．０５５１Ｌｍとすれば、液晶１
のΔｎは本実施例ではΔｎ＝０．２６である、　　為に
ＴＯ中０．２　ｇ　ｍとなる。

以上の如き構成から成る光変調素子に白色光を入射させ
てコントラストを測定したところ。

同一回折格子でセルギャップが２．５１Ｌｍの光変調素
子に於るコントラストがｌ：３であったのに対し、本実
施例に係る光変調素子のコントラストはｌ：６となり約
２倍のコントラスト比が得られた。

又、この際の駆動電圧は液晶１の厚さが実質的に小さく
なった為、ＵＳＰ４，２５１，１３７等で示された従来
の素子を駆動するのに必要な電圧（約２２ｖ）の約半分
となり、ｌＯｖの駆動電圧で光変調が可能であった。更
に、偏光板を用いて出射光束の偏光特性を確認したとこ
ろ、偏光不良は殆どなく信頼性の高い光変調素子である
ことも証明された。従って１表示素子として用いても十
分な性能を備えた素子を提供出来る。

又、第２図（Ａ）、（Ｂ）の素子構成で、回折格子の高
さＴを変化させずにセルギャップを１．６ｇｍとし、Ｔ
（１＝Ｏ，１ｇｍとして上述同様の測定を行なったとこ
ろ、コントラストはｌニアとなり更に向上した。但し、
Ｔ　ｏ　＞　０．２　ｇ　ｍで０．２μｍ近傍の値とし
た場合は、ある程度の効果があるものの顕著なコントラ
ストの向上は見られなかった。この原因の１つとして、
ＴＯが大きくなると、この部分に入り込むＬＣの量が増
え、入射光側の回折格子によって偏光された光がこの液
晶によって再び乱され１次の回折格子によって回折され
る光量が減る事により。

コントラストが向上しないものと考えられる。

、従って１本発明に於てはΔｎ−”ｒｏ≦０．０５５（
ｇｍ）とするのが所望の効果を得る為に必要であり、こ
れは実験的にも確かめられたものである。尚、この条件
式の下段値は言うまでもなく”ｏ”となるが、一般に微
細な回折格子２と透明基板４．４′、又は回折格子２同
士の上部を密着させるのは困難であり、Δｎ−”ｒｏが
最も望ましい条件ではあるものの、面倒な貼り合わせ調
整を行なわなくても上記条件式を満足すれば前述の如き
満足すべき効果が得られる。

本実施例に於ては、回折格子上部と対向基板面との間の
空隙の間隔Ｔｏを前記条件式を満足する様にすることで
偏光不良等を解消しているが１例えば、ＵＳＰ４，２５
１，１３７等に開示されている如き単一素子内で回折格
子が対向する構成に於ても、夫々の回折格子上部間の間
隔Ｔｏを前記条件式に合わせて設定することにより同様
の効果が得られる。又１本実施例に於ては屈折率可変物
質として液晶を例に挙げて説明を行なっているが、液晶
以外の物質で光学軸の方向に乱れを生じる様なあらゆる
物質に対して本発明は有効である。

尚１本実施例に於ては、透過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１本発明では透過型の光
変調素子を構成するのが好ましい。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、素子構成に所定の条
件を与えることにより、偏光不良を防ぎ且つコントラス
トを向上させることが出来る。又、実質的に素子の厚さ
が小さくなる為に駆動電圧が小さくて済み、実用的な光
変調素子として表示素子等に適用可能である。

【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（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る光変調素子の一実
施例を示す概略構成図。 ｉ　−−一−−−−−屈折率可変物質 ２−−−−−−−一回折格子 ３−−−−一−−−透明電極 ４−−−−−−−一透明基板 ５−−−−−−−一人射光

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の基板と隣接する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複数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であって、前記回折格子の上部と対
   向する基板面との間隔もしくは対向する回折格子上部の
   間隔をＴ＿０、前記屈折率可変物質の光変調時の屈折率
   変化量をΔｎとする際、以下の式を満足する光変調素子
   。 Δｎ・Ｔ＿０≦０．０５５（μｍ）
2. （２）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。
3. （３）前記基板が２枚存し、一方の基板面に回折格子を
   形成した単層の素子である特許請求の範囲第（１）項記
   載の光変調素子。
4. （４）前記基板が３枚存し、一枚の基板を介して該基板
   と対向する一対の基板間に夫々互いに配列方向が直交す
   る回折格子を配した２層の素子から成る特許請求の範囲
   第（１）項記載の光変調素子。
5. （５）前記基板と前記屈折率可変物質が使用波長に対し
   て透明である特許請求の範囲第（１）項記載の光変調素
   子。