JPS62237425A - 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、特公昭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、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
、ＵＳＰ４，２５ｊ、１３７に開示されている色フィル
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、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゛れ且つ可変色フィルターとして高性能を有
する。しかしながら、この種の回折格子を利用した光変
調素子は、特定次数の回折光を変調光として利用する際
他の次数の回折光を遮断する必要があり１通常シュリレ
ーン光学系等を用いてこの目的を果たしてはいるものの
、装置構成によってはこの種の光学系やマスク等を配置
出来ない場合もある。更に、特公昭５３−３９２８号公
報やＵＳＰ４．２５１．１３７等に開示された素子の様
に入射光として白色光を用いる場合、出射する回折光が
多く且つその広がりも大きい為に不要回折光を完全に除
去出来ず、スペクトル分離した高次回折光が虹の如く広
がり。

表示素子等に用いる際表示品位を低下させる原因となっ
ていた。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み。

高い光利用効率を有し、且つ表示素子として使用する際
に高品位表示を可能ならしめる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１
位相型回折格子の位相差を制御することにより光変調を
行なう素子に於て、複数の回折格子群をその配列方向が
ランダムになる様に配したことを特徴としている。

尚１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。

〈実施例〉 第１図は本発明に係る光変調素子の光変調原理図で、１
は屈折率可変物質、２は回折格子、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、Δは回折格
子２のピッチ、Ｔは回折格子２の高さを示す。

ここで、屈折率可変物質１の屈折率と回折格子２を成す
物質の屈折率との差をΔｎ、入射光５の波長を入とすれ
ば、第１図に示す如き矩形状回折格子から成る光変調素
子に於る零次透過回折光の回折効率η０は近似的に次の
（１）式０式％ 又５例えば回折格子２の形状が三角波状、正弦波状であ
る場合は、夫々の場合に於る回折効率η０は次の（２）
式及び（３）式の様になる。

ｙ）　Ｏａｓｉｎｃ２　（＊’且−！−）　　　　　（
２）入 η０戸Ｊ０２　（πＪｎＴ　　）　　　　　（３）入 上記（１）〜（３）式から理解出来る様に。

屈折率差Δｎを変化させることにより、零次透過回折光
の回折効率η０を可変にならしめ、零次光強度をＯから
所定の値まで制御出来る。例えば上記（１）式に於ては
、Δｎ＝Ｏの時に回折効率η０＝ｌとなり第１図に於る
入射光５は素子を素通りする。又ΔｎＴ＝（＋十ｍ）入
（ｍ＝　０　、１　、２、−−−−）の時にηＯ＝０と
なり入射光５は全て高次回折光として素子から出射し、
零次光は存在しない。

ここで、複数の波長成分を有する入射光５が第１図の光
変調素子に入射する場合、零次透過回折光の他に図示す
る様な±１次、±２次等の高次回折光が発生し、且つ各
次数の回折光は夫々の波長成分の出射光によりスペクト
ルを形成する。尚、零次透過回折光は当然の事ながら波
長に依存せず入射光５の進行方向に出射し、高次回折光
は波長入と格子定数であるピッチΔの値に依存した方向
へ出射するものである。

従って、零次透過回折光を被変調光として用い１例えば
表示素子として応用する場合、前述の波長分離された回
折光は虹の如く見え表示品位の低下を及ぼす。この問題
を解消する為に。

本発明に於ては第１図の如き素子の回折格子を、表示素
子に適用する際の表示部領域内で複数の回折格子群で構
成し且つ夫々の回折格子群の格子配列方向がランダムに
なる様に配するものである。これにより表示品位の低下
を招く上記の虹の様な不要回折光の出射方向をランダム
にし、不要回折光同志を重ね合わせることにより虹の発
生を実質的に抑えている。従って、従来の如く特別な光
学系もマスク等の遮光手段も用いることなく、素子単体
の特性のみで画質の向上が図れる。この為、来光変調素
子が適用可能な光学装置の自由度は従来に比べ大幅に増
える。

又、来光変調素子の更なる特徴として、夫々の回折格子
群に於る格子形状、ピッチΔ、高さＴ等を大略等しくし
ておくことにより、被変調光である零次透過回折光の特
性を大略均一にし表示品位を保たさせるのが好ましい。

以下、具体的な実施例により本発明に関して詳述する。

第２図は本発明に係る光変調素子の変調部の一例を示す
図で、第１図と同様の部材には同符号を符しである。但
し１図中４は透明電極、７は液晶を示す。

本実施例に於ては、屈折率可変物質として液晶７を用い
、透明電極４が形成された一対の透明基板１間に存する
矩形状回折格子２の溝部（凹部）に液晶１が充填しであ
る。ここで、液晶７としては正の誘電性を有するネマチ
ック液晶等が好適であり、第２図に示す液晶７は正誘電
性ネマチック液晶として説明を行なう。この液晶７は回
折格子２の溝方向（紙面垂直方向）に配向されており、
透明電極４間に電界を印加することにより回折格子２の
配列面、即ち電界方向に配向方向を変える。この時、液
晶７の光学軸回転面内に偏光している光は、液晶７の光
学軸と成す角度に応じて液晶７の常屈折率ｎｏと異常屈
折率ｎｅとの間の屈折率を感じる。この屈折率を液晶の
実効屈折率ｎ　ＬＣ、回折格子２の屈折率をｎｇとして
表わす時、屈折車長Δｎは次の（４）式で示される。

Δｎ＝　Ｉ　ｎＬｃ−ｎｇ　ｌ　　　　　　　（４）従
って、上記（１）〜（３）式に従い零次透過回折光の回
折効率η０を可変にして光変調が出来ることになる。

尚、入射光が偏光子等を介した直線偏光光であれば、第
１図及び第２図に示す様な単層の光変調素子により変調
可能であるが、入射光がランダムな偏光面を有する場合
、単層の素子では第１図に示す如き互いに直交する偏光
成分６゜６′の内一方の偏光成分に対してしか回折作用
を及ぼさない為、他方の偏光成分は変調を受けず常時透
過状態となる。この問題を解消して如何なる偏光特性の
光に対しても変調可能な様に構成した素子を以下に示す
。

第３図は第２図の素子を基本構成として回折格子の配列
方向が互いに直交する様に２個の素子を重畳した光変調
部であり、図中、第２図と同様の部材には同符番を符す
。

本実施例の如き構成とすることにより、入射光の互いに
直交する偏光成分は夫々対応する回折格子により独立に
変調を受け、結局入射光は全て変調されることになる。

第４図及び第５図は夫々第２図及び第３図に示す光変調
部をランダムに配置した状態を示す模式図で、８は光変
調部を示す。ここでは、例えば所定の表示パターン領域
内に光変調部をランダムに配しである。

次に、本光変調素子の作成例と性能評価の結果を述べる
。

通常の一対のガラス基板上にＩＴＯ透明電極を形成し、
一方の基板に遠紫外フォトレジスト０ＤＵＲＩＯ１３（
東京応化部）を用いて回折格子を作製した後、一対ガラ
ス基板同士をＩＴＯ透明電極が対向する様に貼り合わせ
、正誘電性ネマチック液晶ＲＯ−ＴＮ４０３　（ロシュ
製）を封入して光変調素子を形成した。この時、上記回
折格子を遠紫外フォトレジストを露光して回折格子を形
成する際、表示パターン領域にランダムな配列方向を有
する回折格子群が形成出来る様に所定のパターンのマス
クを介して露光を行なう。又、本実施例に於る回折格子
の厚さは１．５ｇｍ、ピッチは１．５７ｚｍ、ピッチに
対する格子のライン幅（凸部の幅）の比は０．６で、矩
形状の回折格子である。更に、波長５８９、３　ｎ　ｍ
の光に対するＲＯ−ＴＭ４０３の常屈折率ｎｏはｎＱ＝
１．５３．異常屈折率ｎｅはｎ　ｅ＝　１．７８で、同
波長の光に対する０ＤＵＲ１０１３（７）屈折率ｎｇは
１ｇｍ１．５３である。

ここで、電界ＯＦＦの静的状態に於て、ＲＯ−ＴＭ４０
３は夫々の回折格子の溝方向に配向されており、入射光
として回折格子の溝方向と平行な方向に直線偏光した白
色光を使用し素子に入射させたところ、入射光がＲＯ−
ＴＭ４０３の異常屈折率ｎｅを感じて零次透過回折光は
青色の出射光となった。又、電界印加によりＲＯ−ＴＭ
４０３の配向方向を電界方向と一致させたところ、入射
光はＲＯ−ＴＭ０１３の常屈折率ｎｏを感じ、上記した
様にｎ（、＝ｎｇである為に入射光は全て素子を通過し
て透明状態が得られた。この時、静的状態では被変調光
である零次透過回折光以外の高次回折光が夫々の回折格
子群より出射しているが、複数の回折格子群を全くラン
ダムに配置している為に、夫々の回折格子群から出射す
る高次回折光同士が互いに攪拌し合って実質的に虹や回
折像等は見えなかった。依って、この素子を表示素子と
して用いることは、光利用効率が高い点、所望の色を出
射出来る点などから鑑みて極めて有効であり、高品位の
表示が達成出来る。

次に他の具体例を述べる。

上記実施例同様のＩＴＯ透明電極付ガラス基板の一方に
イオンエツチング法にＪ−リＺｒｏ２の回折格子を形成
し、他方のＩＴ゛０’、４明電極付ガラス基板と透明電
極面が対向する様に貼り合わせて、正誘電性ネマチック
液晶ＲＯ−ＴＮ４０７（ロシュ製）を封入して光変調素
子を形成した。本実施例に於る回折格子も当然の事なが
ら複数の回折格子群がランタムに配置されて形成されて
おり、夫々の回折格子の厚さは１．６１Ｌｍ、　　ピッ
チは３ｐｍ、ピッチに対する格子のライン幅の比は０．
６とした。更に、波長５８０ｎｍに対するＲＯ−ＴＮ４
０７１７）常屈折率ｎ。

はｎ　Ｑ　＝　１．５３　、異常屈折率ｎｅはｎ　ｅ　
＝　１．７９で、同波長に対するＺｒＯ２の屈折率ｎｇ
は１ｇｍ１．５３である。

本実施例の素子に対して上記実施例同様の光を入射させ
変調を行なったところ、静的状態に於て零次の出射光は
ブゼンダ色を示し、電界を所定量印加してＲＯ−ＴＭ４
０７を電界方向１こ配向させた状態に於て零次の出射光
はシアン色を示した。更に、上記２つの状態の中間状態
（ＲＯ−ＴＭ４０７が傾いて配向している）では出射光
はイエロー色を示した。

以上の如く本実施例に於る光変調素子は電界印加により
Ｃ，Ｍ、Ｙの出射光を選択出来、可変色フィルターを成
している。又、本実施例の素子に於ても上記実施例同様
に虹や回折像が観察されることはなかった。

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。例えば、ＰＬＺＴ
、ＬｉＮｂＯ３。

ＬｉＴａＯ３、ＴｉＯ２，ＰＭＭＡ、ＣＣＪ１４゜ＫＤ
Ｐ、ＡＤＰ、ＺｎＯ，ＢａＴｉＯ３。

Ｂ　ｉ　１２　Ｓ　ｉ　Ｏ２０、Ｂ　ａ　２　Ｎ　ａ　
Ｎ　ｂ　ｓ　Ｏ１５、Ｍ　ｎＢｉ、ＥｕＯ，Ｃ５２，Ｇ
ｄ２（ＭｏＯ４）３゜Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２，ＣｕＣ１，
ＣａＡｓ、ＺｎＴｅ　、Ａｓ２Ｓｅ３　、Ｓｅ　、Ａｓ
Ｇｅ５ｅＳ　。

ＤＫＤＰ　、ＭＮＡ　、ｍＮＡ　、ＵＲＥＡ　、７オト
レジスト等が挙げられる。但し、液晶とりわけネマチッ
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制が可能である為に１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ｎ９と常屈
折率ｎ□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０２以上の物質が良い。又、
前記回折格子の作成方法には。

フォトリソグラフィ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。

〈発明の効果〉 以上、本発明に係る光変調素子は、複数の回折格子群を
格子配列方向がランダムになる様に配することにより、
不要回折光の存在に起因する虹や回折像等を実質的に除
去し、光利用効率が高く５表示素子に応用する際には高
品位表示が可能な光変調素子である。

【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変調部の一例を示す
概略図。 第３図は本発明に係る光変調素子の変調部の他の例を示
す概略図。 第４図及び第５図は夫々第２図及び第３図の変調部の配
置例を示す模式図。 １−一−−−−、−−−−−−−−−−−−−一屈折率
可変物質、２−一−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−一回折格子、３−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−一一−−−−透明基板、４−−−−−
一−−−−−−−−−−−−−−−−−−−一透明電極
、５−−−−−−−−−−一−−−−−−−−−−−−
−−−−一人射光、６　、６’−−−−−−−一互いに
直交する偏光成分、７−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−液晶。 ８−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−一−−−
−−−−変調部。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）位相型回折格子の位相差を制御することにより光
   変調を行なう素子であって、複数の回折格子群で形成し
   、その配列方向がランダムになる様に配した光変調素子
   。
2. （２）前記位相型回折格子が所定の形状から成るレリー
   フパターンと該レリーフパターンの凹部に存する屈折率
   可変物質から成る特許請求の範囲第（１）項記載の光変
   調素子。
3. （３）前記複数の回折格子群の回折効率を一定にした特
   許請求の範囲第（１）項記載の光変調素子。
4. （４）前記複数の回折格子群の格子定数を一定にした特
   許請求の範囲第（１）項記載の光変調素子。
5. （５）被変調光として零次回折光を用いる特許請求の範
   囲第（１）項記載の光変調素子。
6. （６）前記屈折率可変物質が液晶である特許請求の範囲
   第（２）項記載の光変調素子。
7. （７）前記回折格子を成す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。
8. （８）前記位相差を制御する際、電界を用いる特許請求
   の範囲第（１）項記載の光変調素子。