JPS63250621A - 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】 〔技術分野〕 本発明は光変調素子に関し、特に回折格子と液晶等の屈
折率可変物質を利用して光の通過や遮光等の光変調を行
った光表示用、光記録用、光結合用、光通信用そして光
演算用等の装置に好適な光変調素子に関するものである
。

〔従来技術〕

従来から良（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られた状態と基
板面に垂直に向いた状態との間でスイッチングを行い入
射光の変調をする所謂ＮＴ（ツウイストネマチック）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
為に消光時、即ち光透過時の透過率が悪（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
する為に消光時の透過率は良（でも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
とを組合わ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、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、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の装置及び任意の偏光成分を
有する入射光の変調を行う為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の装置である。しかしながら第１の装置においては
光の利用効率が高く可変減色フィルターとして高性能を
有するが、任意の偏光成分を有する入射光の変調には対
応できず、第２の装置が開示されている。

一方、第２の装置においては一対の対向する基板面に互
いに配列公報が直交する様に回折格子が形成されている
ため、少な（とも第１の可変減色フィルターの回折格子
の２倍以上の距離、即ちセルギャップが有り、屈折率可
変物質の屈折率制御手段である電界の強度を１／２以下
の低下させてしまうという欠点があった。又、回折格子
を２層重畳させるため境界領域における液晶の配列方向
が乱れ実効的回折格子高さの減少と成る欠点があった。

又、回折格子を２層重畳させるため、第１の装置と比し
て製造工程が２倍以上必要としてコスト高と成る欠点が
あった。

〔発明の概要〕

本発明は、上記従来の欠点に鑑みてなされたものであり
、液晶等の屈折率可変物質と回折格子を利用して光の通
過や遮光等の光変調を行う際、任意の偏光成分を有する
入射光に対しても良好に光変調が出来、しかもセルギャ
ップを拡大させることなく効率的に液晶に電界を印加す
ることができ、且つ回折格子の実効的高さを減少しない
簡単な光変調素子の提供を目的とする。

上記目的を達成する為に、本発明に係る光変調素子は、
基板と該基板上に形成された位相型回折格子部と該回折
格子部の溝部に配された屈折率可変物質と該物質の屈折
率を変化させる為の制御部材とを有し、前期回折格子部
が複数のブロックに区分され、該複数のブロックを成す
回折格子の溝方向が前記回折格子構造体でほぼランダム
になる様に、各ブロックを成す回折格子の溝方向を不規
則に定めたことを特徴としている。

本発明の更なる特徴は以下に示す実施例から明らかにな
るであろう。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る光変調素子の基本構成図を示し、
本光変調素子の機能説明図を兼ねている。図中、ｌ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位相型回折格子、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ｌを以後液
晶ｌ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（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、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１の配向方向と直交と垂
直する成分である偏光成分６′は液晶ｌの常屈折率ｎｏ
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ｎｃ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
λ、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η。は、近似的に次の（１）式で
表わせる。

但し、△ｎは回折格子２の屈折率ｎｇと液晶１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 △ｎ＝　ｌｎｅ−ｎｇ　ｊ　、偏光成分６′　に対して
は△ｎ＝ｌｎｇ　　ｎｏｌとなる。

従って、（１）式から△ｎ　＝　Ｏ即ちｎｅ　　ｎｇ又
はｎｏ二ｎｇの時に零次透過回折光の回折効率ηＯはη
０−１となり、又、 △ｎＴ＝（−＋ｍ）λ （ｍ＝ｏ、　　１．　２．　３．　・・・）の時に回折
効率η０はη０＝０となる。

次に、透明電極３を介して液晶１に電界を印加する場合
、液晶１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ｎｏを感じ、偏光成分６は電界印加量
に従って液晶１の異常屈折率ｎｅと常屈折率ｎｏとが所
定の比率で合成された合成屈折率ｎｏを感じる。言うま
でもなく、液晶ｌの配向方向の変化に伴って合成屈折率
ｎｏは変化する。更に電界印加量を強めると、液晶ｌは
基板４（透明電極３）に垂直に配向され、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を感じ飽和する。

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。

本発明に用いる屈折率可変物質は複屈折性を有する物質
であり、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△ｎ（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、前記位相型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。

第１図を用いた説明から理解出来る様に、レリーフパタ
ーン等から成る位相型回折格子の溝部が所定方向に延び
、この溝部に屈折率可変物質が封入された状態で変調を
行う場合、屈折率可変物質の複屈折性（光学的異方性）
の為に全て偏光成分の光を変電することが出来ない。

本発明では、素子の基本構成は第１図に示す素子の形態
のまま、光変調部となる回折格子部の溝部の形態を変え
ることにより、簡便な手法で変調時の偏光依存性を無（
した。

次に、本発明に係る光変調素子の一形態を示す。

第２図（ａ）は本発明に係る光変調素子の一実施例を示
す概略構成図である。

同図に於て、３及び４は前記第１図同様透明電極及び透
明基板を示す。８は特定の同一方向に溝が形成された回
折格子ブロックで、各ブロックの格子溝方向を矢印７で
示しである。又、この矢印７が示す方向はブロック２１
内に封、入された屈折率可変物質である液晶の配向方向
をも指す事になる。

第２図（ｂ）は第２図（ａ）の光変調素子９内に形成さ
れた回折格子ブロック８と夫々のブロックの格子溝方向
、即ち液晶の配向方向７とを解り易く示した模式的平面
図である。

第２図（ｂ）から解る様に、本実施例に係る光変調素子
は、光変調部を複数のブロック２１に分割して各ブロッ
ク２１を成す回折格子の格子溝方向を互いに異ならせ、
液晶の配向方向が見かけ上ランダムになる様に構成して
いる。

本実施例に於る１個の回折格子ブロック８は一辺の長さ
が３０μｍの正方形から成り、このブロック８を２次元
的に規則正しく配列して光変調部を成している。

又、前述の矢印７は、ブロック８内の溝部に封入された
液晶の複数の分子が示す配向方向を平均化したベクトル
の方向を示すものであり、実際には溝部内の個々の液晶
分子が完全に同一方向に向くことは希である。

゛第２図（ａ）に於て、透明基板４はガラス基板から成
り使用波長に於てほぼ透明である。又、透明電極３はＩ
ＴＯやＳ　ｎ　０２等から成り、やはり使用波長域に於
てほぼ透明である。

又、ブロック８を成す回折格子として透明なレジストや
ガラス材料などが使用されており、液晶としてはＲＯ−
ＴＮ４０３（ロシュ社製、正誘電異方性ネマチック液晶
）等を使用出来る。

本実施例の光変調素子の特徴は、上述の如く液晶の配向
方向（光学軸方向）を変調部内でランダムにしたことで
あり、この為に、入射光の偏光特性に依らず常に回折格
子が依存することになり、任意の光変調を可能にする。

又、従来の光変調素子の如（、回折格子の溝方向、換言
すると液晶の配向方向をある程度決めてしまうと、液晶
の配向に不完全さが残っている場合、入射光の偏光方向
に依って変調能力が種々変化する可能性がある。

これに対し、本実施例の如く予めランダムに液晶を配向
する様に構成すれば、個々のブロック８内で液晶の配向
にゆらぎがあったとしても、光変調素子全体としてその
影響を受けることが少ない。

従って、入射光の偏光状態に依らず、はとんど常時同一
の変調機能を満たす素子とすることが出来る。

第２図（ａ）に示す光変調素子も透明電極３の間に所定
の電圧を印加することにより液晶の配向を制御すること
が可能であり、この制御によって、各ブロック８を成す
回折格子の特性、例えば変調効率や分光透過率を変える
ことにより光変調が出来る。

各ブロック８の回折格子を構成する材料を同一のものと
し、その屈折率ｎｇとすれば、ＲＯ−ＴＮ４０３などの
液晶の常屈折率ｎｏとこの屈折率ｎｇとを同一としてお
（ことにより、電圧を印加することにより、液晶を基板
４に対して垂直配向させて全透過状態を得ることが出来
る。

第３図は第２図（ａ）の素子に電界を印加した場合（Ｏ
Ｎ）と電界を印加しない場合（ＯＦＦ）に於ける、素子
の分光透過率特性を示したものである。

第３図に示す様に、電界ＯＮ時で９０％近い透過率が使
用波長域全般に亘って得られ、電界ＯＦＦ時で図示され
る分光透過率が得られる為、例えば被変調光としてλ＝
４００〜７００　ｍ　ｍの可視光を用いれば、電界ＯＮ
で白色表示が行える。

従って、本実施例によれば、この様な表示を行う場合に
も、入射光の偏光状態に依らず、安定したコントラスト
が得られ、表示品位を向上させる。

又、本実施例の光変調素子も所定の面内に２次元回折格
子を形成出来た為、作成が容易で素子の薄型化を図るこ
とが可能となった。又、従来に比して印加電圧を低（す
ることが出来、低消費電力の光変調素子とすることが出
来た。

尚、各ブロック２１の大きさは３０μｍ角程度８小さい
為、目視によるブロック２１の識別は困難である。従っ
て表示素子として用いても何ら支障をきたすことがない
。

このブロック２１の識別や作成の容易性、及び変調機能
の安定化の点を考慮し、本発明者らが検討したところに
よると、光変調部を成す各ブロック２１の大きさは面積
にして１００μｄ〜１０００μばの範囲内であることが
望ましい。

第４図（ａ）、　　（ｂ）は第２図（ａ）、　　（ｂ）
で示した光変調素子の回折格子ブロック８の他の構造例
を示す模式的平面図である。

同図に於いて、８は回折格子から成るブロック、７は各
ブロック８の格子溝方向、又溝部に封入した液晶の配向
方向を示す矢印を示している。

第４図（ａ）はブロック８を入射光から見て三角形状と
し、第４図（ｂ）はブロック８を入射光から見て六角形
状としたものである。言うまでもなく、第４図（ａ）、
　　（ｂ）の複数のブロック８の溝方向は全体としてラ
ンダムに形成されており、上述の第２図（ｎ）、　　（
ｂ）で示した素子同様の効果を示す。

この様に、本実施例に於いてはブロック８の形状には何
ら制限はない。

但し、変調効率を最大限に高める為には、各ブロック８
間には出来るだけ隙間がない様にする必要が有り、第２
図及び第４図に示す通り各ブロック８を密に構成しなけ
ればならない。

この為にも各ブロック２１の形状は多角形状であること
が望ましく、作成も容易になる。

以上示した実施例に於いては、屈折率可変物質として液
晶をとりあげて説明したが、これ以外にも光学的異方性
をもつ屈折率可変な物質であれば、本発明に適用可能で
ある。

又、回折格子の形状は、その格子断面が矩形状であるも
の、三角波状であるもの、正弦波状であるものなど種々
の形状を選択出来る。とくに矩形状断面をもつ回折格子
は分光特性が強く、色表示を行うのに好適である。逆に
三角波状や正弦波状の断面をもつ回折格子は分光特性が
フラットに近（、白黒表示又は波長に依らない光スィッ
チなどに好適である。

本発明に係る光変調素子は、上記各実施例で示した様に
回折格子と屈折率可変物質との屈折率を、ある状態でマ
ツチングさせることにより、入射光の偏光状態に係わり
な（全透過状態を得ることが出来る。この状態は表示素
子に於る非表示状態に対応させることが出来、光の利用
効率、高コントラストの点でこの種の表示素子として用
いるに極めて有用な光変調素子となる。

例えば、カメラのファインダー内表示素子として用いれ
ば、非表示状態で被写体からの光を全透過させ、表示時
には被写体像に表示パターンをスーパーインポーズさせ
て観察することが出来、極めて興味深いファインダー内
表示を行うことが出来る。

この素子は従来の液晶表示素子と異なり偏光板等が不要
である為、ファインダーを明る（保ったまま表示機能を
付加出来るという優れた利点をもつ。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、光変調部を成す回折格子部を複
数のブロックに区分けし、複数のブロックを成す位相型
回折格子の溝方向（格子線方向）が回折格子郡全体でほ
ぼランダムになる様にしたことにより、セルギャップを
決定する回折格子の実効的高さを従来の半分としたまま
で、入射光の偏光状態に依らない効率的な光変調を可能
にした。

又、屈折率可変物質として液晶を使用する場合に、液晶
の配向状態にゆらぎがあったとしても、液晶の配向方向
が変調部会体で予めランダムとなっている為、光変調素
子自身の機能が液晶の配向状態に左右される割合は小さ
く、常時安定した光変調が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光変調素子の基本構成図。 第２図（ａ）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。 第２図（ｂ）は第２図（ａ）に示す光変調素子の回折素
子部を示す模式的平面図。 第３図は第２図（ａ）に示す光変調素子によりランダム
な方向に偏光した光を変調した時の、電界印加時と電界
無印加時に於る素子の分光透過率特性を示す図。 第４図（ａ）、　　（ｂ）は回折格子部を成すブロック
の他の形態を示す模式的平面図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板と該基板上に形成された位相型回折格子部と該回折
   格子部の溝部に配された複屈性を有する屈折率可変物質
   と該物質の屈折率を変化させる為の制御部材とを有する
   光変調素子であって、前記回折格子部が複数のブロック
   に区分され、該複数のブロックを成す回折格子の溝方向
   が前記回折格子部全体でほぼランダムになる様に構成し
   たことを特徴とする光変調素子。