KR100236577B1 - 편향 소자 및 그것을 이용한 투사형 표시 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 콘트라스트 비가 높고, 광의 이용 효율이 높은 스위칭을 행하는 것이다. 프리즘의 제2표면으로부터 입사한 광은 투광성 기판의 표면에서 반사하지 않고, 굴절율 물질층으로 유도된다. 굴절율 물질층의 굴절율의 관계를 선별함으로써, 입사한 광은 굴절율 물질층 계면에서 반사하는 광과, 상기 계면을 투과하는 광이 된다. 투과한 광은 절연성 기판 표면에 대해 각도 δ 경사한 광 반사 전극의 표면에서 반사한다. 상기 계면에서 반사하는 광과 광 반사 전극의 표면에서 반사하는 광은 다른 방향으로 출사한다. 광 반사 전극과 투명 전극에 전압을 인가하여 가변 굴절율 물질층의 굴절율을 변화시킴으로써 상기 계면에서의 반사 광과 투과 광과의 광 강도를 조정할 수 있다.
Description
본 발명은 광 신호가 충분히 높은 온/오프 비(이하, 「콘트라스트 비」라 칭함)를 갖고, 입사 광의 이용 효율이 높고 비교적 저 전압으로 구동 가능한 광 스위치, 공간 광 변조 소자 및 라이트 밸브로서의 투사형 표시 장치 등에 적합하게 이용되는 편향 소자 및 그것을 이용한 투사형 표시 장치에 관한 것이다.
최근, 광 통신은 통신 속도의 고속성 및 전달 정보량이 많기 때문에, 정보화 사회에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 이와 같은 광 통신에서 신호 전달로로서는 광 손실이 작은 광 섬유가 이용되고 있다. 광 신호 전달 경로의 주 간선 경로에 있어서, 신호의 변환 처리기로는 고속성, 고 콘트라스트 비 및 신호의 감쇠가 작은 것이 요구된다. 이 때문에, 주 간선 경로에서의 신호 처리기에는 위상을 변화하거나, 전달 모드를 변환하거나 또는 도파광의 진행 방향을 변화하는 등의 방법이 이용되고 있다.
제41도는 광 섬유를 이용한 광 스위치(101)의 구성을 도시하는 평면도이다. 또, 제42도는 상기 광 스위치(101)의 구성을 도시하는 사시도이다. 광 스위치(101)는 광학 이방성 결정인 LiNbO3(니오브산 리듐)로 이루어지는 클래드부(106), 광 도파로로 이루어지는 코아부(102, 103), 전극(104, 105) 및 전원(107)을 포함하여 구성된다. 클래드부(106) 및 코아부(102, 103)에 의해 광 섬유가 형성된다.
클래드부(106)내의 코아부(102, 103)는 서로 평행하게 간격을 두고 배치된다. 전극(104, 105)은 코아부(102, 103)의 길이 방향을 따른 한측면에 각각 접하여 띠 형상으로 형성된다. 전원(107)은 전극(102, 103) 사이에 접속된다. 전극(104, 105) 사이에 직류 전압을 인가함으로써 전계 E를 발생시키고, 광학 이방성 결정으로 이루어지는 클래드부(106)의 굴절율을 변화시켜, 코아부(102, 103)에 입사한 광(108)의 수수(授受)가 코아부(102, 103) 사이에서 행해진다.
이와 같은 광 스위치를 이용한 광 통신에 추가하여, 정보화 사회의 특징으로서 개인용 휴대 정보 단말 장치의 보급도 현저해지고, 이와 같은 휴대 정보 단말 장치의 표시 장치로서는 경량, 박형 및 저소비 전력 등의 특징을 갖는 액정 표시 장치 [이하, 「LCD」(Liquid Crystal Device)라 칭함]가 유력한 지위에 있다. 또, LCD는 휴대 정보 단말 장치 뿐만 아니라 광 논리 연산 장치의 연산 소자, 직시형 또는 투사형의 라이트 밸브 등의 공간 변조 장치로서도 이용되고 있고, 그 이용 범위는 대단히 여러 분야에 걸쳐 있다. 이와 같이 다양화한 LCD의 광 변조 방법으로서는 액정 분자를 갖는 복굴절성을 이용한 것이 주류이다. 예를 들면,
(1) 간섭 방식
(예) ECB(Electrically Controlled Birefringence) 모드
SSF-LC(Surface Stabilized Ferro-electric Liquid Crystal) 모드
(2) 선광(旋光) 방식
(예) TN(Twisted Nematic) 모드
(3) 광 산란 방식
(예) 고분자 분산형 액정(PDLC) 모드
네카틱 콜레스테릭 상 전이형(PCM) 모드
(4) 광 흡수 방식
(예) 네마틱 콜레스테릭 상 전이형 게스트 호스트 방식(PCGH) 2층형 게스트 호스트 방식(DGH)를 예를 들 수 있다.
액정을 이용한 광 스위치의 예로서, 예를 들면 특개소 59-7337호 공보에는 액정층과 해당 액정층을 사이에 끼우는 기판과의 계면에서 발생하는 굴절율 변화를 이용하여, 임계각 이상으로 입사하는 직선 편광을 스위칭하는 예가 개시되어 있다. 또, 특개평 6-258672호 공보에는 광 도파로와 액정층광의 계면에서 발생하는 굴절율 변화를 이용하여 임계각 이상으로 입사한 무편광 광을 스위칭하는 예가 개시되어 있다. 또, 본건 출원인은 광 도파로와, 외장에 의해 굴절율이 변화하는 물질층(예를 들면, 액정층)과, 차광부를 포함하여 구성되고, 무편광 광을 이용하여 높은 콘트라스트 비 및 고휘도가 얻어지는 반사형의 광 스위치 및 표시 장치를 특원평 7-166448호에서 제안하고 있다.
직선 편광을 이용하는 것으로부터 간섭 방식 및 선광 방식을 채용하는 상기 특개소 59-7337호 공보에 개시된 광 스위치에서는, 특정 편광을 사용하기 때문에 편광 판이 필요하다. 이 때문에, 광 신호의 높은 콘트라스트 비가 얻어지지만 입사광이 무편광 광에 가까운 경우나 입사 편광을 해소하기 쉬운 경우에는, 광의 이용 효과가 절반 이하가 된다. 또, 변조 결과를 검출하기 위한 편광판 등의 검광자(아날라이저)가 필요하게 되고, 또 광의 이용 효과가 저하한다.
이 결과, 광 논리 연산을 행하는 경우에서는 연산 내용이 복잡화하는 만큼 광 신호의 이용 효율이 감소하고, 광 증폭기 등의 수단이 필요하게 된다. 또, 연산 도중에 당연히 발생하게 되는 노이즈의 영향에 의해 SN(Signal-to-Noise) 비가 감소한다. 또, 휴대 정보 단말 장치 등에 사용되는 반사형 LCD 등의 표시 장치에서는 근년, 고정밀도 및 고휘도를 필요로 하고 있지만, 상기 광 스위치에서 이용할 수 있는 광은 원리적으로 광원 광의 절반으로, 실제로는 광 손실에 의해 절반 이하로 되기 때문에, 콘트라스트 비가 낮고, 어두운 표시밖에 실현할 수 없다.
또, 상기 광 스위치에서는 액정층으로의 입사광이 액정층과 광 출사측의 기판과의 계면에서 반사하여 다시 액정층에 입사하는 소위 미광이 발생할 우려가 있다. 이 미광은 콘트라스트 비의 저하의 원인이 되어 바람직하지 않다.
무편광 광을 이용하기 때문에, 광 산란 방식 및 흡수 방식을 채용하는 상기 특원평 7-166448호에 제안된 광 스위치에서는 차광층에 광을 집광하는 차광 상태와, 집광하지 않고 투과 상태로 스위칭을 행하기 때문에, 광을 집광할 때의 차광층의 온도 상승이 스위칭 특성에 악 영향을 끼친다. 또, 실제로는 약간 넓은 광원 광중에서 평행 광을 선별하여 이용하기 때문에, 이용할 수 있는 광량이 작아지고, 표시 장치로 한 경우에는 표시가 어두어진다. 동일 광 산란 방식 및 흡수 방식을 채용하는 상기 특개평 6-258672호 공보에는 실제로 무편광 광을 효율적으로 이용하여 콘트라스트 비가 높은 스위칭을 하는 구체적인 기법이 기재되어 있지 않다. 따라서, 상술한 것과 마찬가지로 표시가 어두어진다.
또, 상기 PDLC 모드나 PCM 모드 등의 광 산란 방식에서는 전압-투과율 곡선에서, 히스테리시스가 발생하기 쉽고, 입사 광을 연속적으로 변조하는 것은 곤란하다. 또, 충분한 산란 특성을 얻기 위해서는 셀 두께를 증대하고, 또는 액정의 비틀림 배향의 나선 피치를 작게 하는 등의 대책이 필요하다. 그러나, 이들 대책은 구동 전압이 증대를 초래하다.
또, 상기 PCGH 모드나 DGH 모드 등의 광 흡수 방식에서는 계조 표시의 방법이나 편광판을 사용하지 않고 밝은 표시를 얻기 위한 방법이 다수 존재하지만, 이용되는 색소가 광을 흡수하는 성질을 갖는 경우, 색소의 분해 및 열화에 의해 신뢰성이 저하된다. 내광성이 높은 색소를 이용했지만, 충분한 콘트라스트 비를 얻기 위해서는 색소 농도를 높게 하거나 셀 두께를 두껍게 하는 등의 대책이 필요하게 된다. 이들 대책도 구동 전압의 증대를 초래한다.
이와 같은 여러가지 방식의 광 스위치에서는 위상을 변화하거나, 전송 모드를 변환하거나 또는 도파광의 진행 방향을 변화하는 등의 방법에 의해 구동 전압의 저감 및 전송 신호 대역의 확대 등이 이루어지고 있다. 그러나, 엄밀한 광학적 설계가 필요하고, 결정성이 높은 재료를 이용하기 때문에 소자가 상당히 고가가 되고, 신호 전송로의 단말 장치(예를 들면, 가정용 통신 기기 및 처리 장치 등)에 사용하는 신호 처리용 광 스위치로서는 가격 면에서 실용적이지 않다.
또, 광 스위치를 집적화하여 표시 장치 등에 이용하는데 데에 따라, LSI(Large Scale Integrated Circuit) 기술을 응용하는 것 등에 의해 각 소자의 미세화 및 집적화가 가능하게 되었다. 그러나, 충분한 광학 변조를 발생하기 위해서는 어느 정도의 광로 길이를 필요로 하고, 또한 LSI 기술을 이용하여 각 소자를 기판 평면 상에 집적할 필요가 있다. 이 때문에, 기판 표면으로서 2차원적으로 큰 면적이 필요하게 되므로, 도트 매트릭스 형상의 표시 장치에 응용하는 것은 곤란하다.
본 발명의 목적은 저 구동 전압에 의한 구동이 가능하고, 높은 콘트라스트비를 갖는 광 출력이 얻어지며, 또한 광 신호의 이용 효율이 높고, 프로젝션 등의 투사형 표시 장치에 이용해도 우수한 표시 특성이 얻어지는 편향 소자 및 그것을 이용한 투사형 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 외부로부터 공급되는 에너지에 의존하지 않고 굴절율이 질정한 투광성 물질로 이루어지는 등방 굴절율 물질층과, 외부로부터 공급되는 에너지에 의해 굴절율이 변화하는 투광성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층, 적어도 가변 굴절율 물질층을 개재하고, 상기 가변 굴절율 물질층에 에너지를 인가하는 한쌍의 에너지 전달 수단, 상기 등방 굴절율 물질층 및 가변 굴절율 물질층을 통과한 광을 반사하는 경사진 반사면을 갖는 광 반사층, 광 입사측의 최외방측에 배치되는 도광 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 편향 소자이다.
본 발명에 따르면, 도광 수단으로부터의 입사 광은 등방 및 가변 굴절율 물질층으로 유도되어 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면에서 반사하는 광과, 해당 계면을 투과하여 광 반사층에 도달하여 해당 광 반사층에서 반사하는 광이 된다. 광 반사층은 경사진 반사면을 갖고, 이것에 의해 상기 계면에서의 반사광과 광 반사층의 반사면에서의 반사 광의 출사 방향을 다르게 할 수 있다. 상기 계면에서의 반사광 강도와 투과광 강도는 가변 굴절율 물질층에 에너지 전달 수단으로부터 에너지를 공급하여 가변 굴절율 물질층의 굴절율을 변화시킴으로써 조정할 수 있다. 따라서, 상기 계면 또는 광 반사층의 반사면에서의 반사광을 이용하여, 해당 반사 광 강도를 조정한 계조 표시 등의 스위칭이 가능하게 된다. 한쌍의 에너지 전달 수단은 적어도 가변 굴절율 물질층을 개재하여 배치된다. 또, 한쌍의 에너지 전달 수단 중 한쪽 에너지 전달 수단은 광 반사층의 굴절율 물질층과는 반대측에 배치되어도 상관없다. 또, 한쪽 에너지 전달 수단은 광 반사층과 굴절율 물질층 사이에 배치되어도 상관 없다.
또, 본 발명의 상기 광 반사층은 한쌍의 에너지 절단 수단중 어느 한쪽 에너지 전달 수단을 겸하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 광 반사층은 한쌍의 에너지 전달 수단중 어느 한쪽 에너지 전달 수단을 겸하고 있기 때문에, 편향 소자의 구성이 간단하게 된다.
또, 본 발명이 상기 한쌍의 에너지 전달 수단중 어느 한쪽 에너지 전달 수단은 가변 굴절율 물질층의 한쪽면에 접하고, 다른쪽 에너지 전달 수단은 가변 굴절율 물질층의 상기 한쪽면과는 반대인 다른쪽 면에 접하여 존재하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 한쌍의 에너지 전달 수단이 모두 가변 굴절율 물질층에 직접 접하기 때문에, 용량이 분할되지 않는다. 따라서, 저전압 구동이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 상기 광 반사층과 상기 한쌍의 에너지 전달 수단 중 어느 한 쪽 에너지 전달 수단과는 서로 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 광 반사층과 한쌍의 에너지 전달 수단중 어느 한쪽 에너지 전달 수단이 서로 전기적으로 접속되고, 이와 같은 구성은 스위칭 소자를 이용한 액티브 매트릭스 구동 방식으로 편향 소자를 구동할 때에 적합하게 실시된다.
또, 본 발명의 상기 등방 굴절율 물질층과 상기 가변 굴절율 물질층은 모두 복수개 존재하고, 등방 굴절율 물질층과 가변 굴절율 물질층은 상기 에너지 전달 수단과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 편향 소자내에는 등방 및 가변 굴절율 물질층이 함께 복수개 설치되고, 복수의 등방 및 이방 굴절율 물질층은 상기 에너지 전달 수단과 평행하게 배치된다. 예를 들면, 복수의 가변 굴절율 물질층의 편광축이 다르면, 편광 방향이 다른 광이 혼재하는 자연 광을 각각 각 편광축의 방향이 일치하는 어느 가변 굴절율 물질층의 경계면에서 반사할 수 있다. 그러므로, 입사광의 반사율을 향상시킬 수 있다. 또, 이들 복수의 가변 굴절율 물질층은 한쌍의 에너지 전달 수단 사이에 개재되기 때문에, 시차가 발생하지 않는다.
또, 본 발명은 상기 복수의 가변 굴절율 물질층이 갖는 편광축중 적어도 2개의 편광축은 서로 직교하는 것을 특징으로 하다.
본 발명에 따르면, 적어도 2개의 가변 굴절율 물질층의 편광축은 서로 직교하는 방향으로 선별된다. 그러므로, 편광 방향이 다른 광이 혼재하는 자연광을 직교하는 2 방향으로 각각 편광하는 광으로 분리하고, 각각의 광을 상술한 2개의 가변 굴절율 물질층 중 어느 한쪽의 경계면에서 반사시킬 수 있다. 이것에 의해, 입사한 광을 거의 100% 반사할 수 있다. 따라서, 광 스위치로서 이용하기에 충분한 온/오프 비가 얻어진다.
또, 본 발명은 상기 복수의 가변 굴절율 물질층 사이에는 적어도 1개의 등방 굴절율 물질층이 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 복수의 가변 굴절율 물질층 사이에 배치되는 등방 굴절율 물질층 재료를 선별함으로써, 예를 들면 복수의 가변 굴절율 물질층이 고체로 실현된 경우, 서로 밀착성을 높일 수 있다. 또, 복수의 가변 굴절율 물질층 사이에 배치되는 등방 굴절율 물질층의 수 및 굴절율을 선별함으로써, 보다 미세한 굴절율을 조정할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 광 반사층의 반사면의 경사 각 δ와, 상기 입사광의 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면의 법선 방향에 대한 입사각 θ1이
θ1/2 ≤ δ ≤ θ1 (1)
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가변 굴절율 물질층을 구성하는, 예를 들면 액정층과 등방 굴절율 물질층과의 계면에서 반사하는 광은 상기 계면을 투과하는 광과 교차하지 않는 방향으로 출사되게 된다. 이 결과, 이들 광이 완전히 분리되고, 예를 들면 이 편향 소자를 표시 소자로서 이용한 경우, 고 콘트라스트의 표시가 실현된다. 또, δ=θ1/2인 경우, 상기 계면에서 반사하는 광은 상기 계면에 대해 수직인 방향으로 출사하게 된다. 따라서, 예를 들면 상기 구성에 의한 편향 소자를 복수개 배치하여 표시 장치를 구성할 경우, 서로 이웃하는 편향 소자로부터의 출사광이 서로 혼합되지 않고, 매우 세밀한 표시를 실현하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명은 상기 등방 및 가변 굴절율 물질층중 어느 한쪽 굴절율 물질층의 굴절율 n2라 하고, 다른쪽 굴절율 물질층의 굴절율을 n1이라 하고,
한쪽 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현되고, 다른쪽 굴절율 물질층이 정상 광 굴절율 no, 이상(異常) 광 굴절율 ne의 1축성의 투광성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층으로 실현될 때에는 굴절율 n1, n2, no, ne는
no ≤ n1 ≤ ne (2)
no ≤ n2 ≤ ne (3)
θ1 ≥ arcsin(n2/ne) (4)
의 관계를 만족하며,
한쪽 굴절율 물질층이 정상 광 굴절율 no, 이상 광 굴절율 ne의 1축성의 투과성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층으로 실현되고, 다른쪽 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현 될 때에는 굴절율 n1, n2, no, ne는
no ≤ n2 ≤ ne (5)
no ≤ n1sinθ1 (6)
ne ≥ n1 (7)
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 굴절율 물질층의 굴절율은 식(2) ∼ 식(4) 또는 식(5) ∼ 식(7)의 관계를 만족하고, 이것에 의해 가변 굴절율 물질층이 1축성의 투과성 물질로 이루어지는 경우도, 상술한 작용에 의해 양호한 스위칭을 행할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 등방 및 가변 굴절율 물질층 중 어느 한쪽 굴절율 물질층의 굴절율 n2라 하고, 다른쪽 굴절율 물질층의 굴절율 n1이라 하며,
한쪽 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현되고, 다른쪽 굴절율 물질층이 최대 굴절율(nmax), 최소 굴절율(nmin)의 광학적으로 등방성인 투과성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층으로 실현될 때에, 굴절율 n1, n2, nmax, nmin은
nmin ≤ n1 ≤ nmax (8)
nmin ≤ n2 ≤ nmax (9)
θ1 ≥ arcsin(n2/nmax) (10)
의 관계를 만족하며,
한쪽 굴절율 물질층이 최대 굴절율(nmax), 최소 굴절율(nmin)의 광학적으로 등방성인 투과성 물질로 이루어지는 가변 물질층으로 실현되고, 다른쪽 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현될 때에는 굴절율 n1, n2, nmax, nmin은
nmin ≤ n2 ≤ nmax (11)
nmin ≤ n1sinθ1 (12)
nmax ≥ n1 (13)
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 굴절율 물질층의 굴절율은 식(8)∼식(10) 또는 식(11)∼식(13)의 관계를 만족하고, 이것에 의해 가변 굴절율 물질층이 광학적으로 등방성인 투과성 물질로 이루어지는 경우에도, 상술한 작용에 의해 양호한 스위칭을 행할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 도광 수단은 적어도 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면에 거의 평행하게 배치되는 제1표면과, 제1표면과 교차하는 제2표면을 갖고, 제2표면으로부터 입사한 광 중 해당 제2표면의 법선 방향을 기준으로 하여 ±20°를 이루는 각도의 범위로부터의 광을 등방 및 가변 굴절율 물질층으로 유도하는 프리즘으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 편광 수단으로부터의 편광은 프리즘의 광 입사 표면에 대해 -20°∼20° 범위의 입사각으로 입사한다. 제12(a)도에 도시하는 바와 같이, 광이 공기층으로부터 프리즘으로 입사하는 경우, 상기 범위의 입사각에서는 그 대부분이 반사되지 않고 공기층과 프리즘과의 계면을 투과한다. 또, 제12(b)도에 도시하는 바와 같이, 광이 프리즘으로부터 공기층으로 입사하는 경우의 입사각이 상기 범위이면, 그 대부분이 반사되지 않고 프리즘과 공기층과의 계면을 투과한다. 이 결과, 광원으로부터의 광이 확대를 갖고 있어도 프리즘에 입사할 때나 이 프리즘으로부터 출사할 때의 광의 손실을 억제하여, 광의 이용 효율을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명의 상기 프리즘의 제1표면과 제2표면이 이루는 각은 50°이상 90°미만인 범위에서 선별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 구성에서 프리즘의 광 입사 표면에 수직으로 입사한 광 프리즘의 저면에 대한 입사각은 저면과 광 입사 표면이 이루는 각과 동일하다. 이 때문에, 상기 프리즘의 저면이 등방 굴절율 물질층에 대해 평행하게 적층되어 있는 경우, 등방 굴절율 물질층과 액정층 등의 가변 굴절율 물질층과의 계면에 임계각으로 광을 입사시키기 위해서는 그 임계각과, 프리즘의 저면과 광 입사 표면과 이루는 각이 동일하게 되도록 구성하면 좋다. 제9도는 가변 굴절율 물질층의 굴절율과, 등방 굴절율 물질층(굴절율 1.5) 및 가변 굴절율 물질층의 계면의 임계각의 관계를 도시하는 그래프이다. 가변 굴절율 물질층을 조성할 수 있는 재료로서는 다양한 물질이 존재하지만, 가변 굴절율 물질층을 얻을 수 있는 최대 굴절율 1.9 정도가 한계라고 생각된다. 이것을 고려하면, 프리즘의 광 입사 표면이 이루는 각을 50°이상 90°미만이라 하면, 가변 굴절율 물질층과 등방 굴절율 물질층과의 계면에 임계각으로 광을 입사시킬 수 있다.
또, 본 발명의 상기 프리즘의 제2표면으로부터의 입사광에 의해 제1표면에 투영되는 제2표면의 사영 영역은 스위칭에 기여하는 실제 스위칭 영역보다도 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 프리즘의 제2표면의 상기 사영 영역은 실제 스위칭 영역 보다도 크기 때문에, 실제 스위칭 영역 전체에 광을 입사시킬 수 있어, 양호한 스위칭 특성이 얻어진다.
또, 본 발명의 상기 프리즘의 제1표면과 평행하게 제1표면보다 외측에 배치되고, 스위칭에 기여하는 실제 스위칭 영역보다도 큰 제3표면을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 계면 또는 광 반사층의 반사면에서 반사된 광은 프리즘의 제3표면으로부터 출사한다. 해당 제3표면은 실제 스위칭 영역 보다 크다. 따라서, 미광이 발생하지 않아, 모든 반사광을 상기 제3표면으로부터 출사시킬 수 있으므로 양호한 스위칭 특성이 얻어진다.
또, 본 발명의 상기 가변 굴절율 물질층은 액정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가변 굴절율 물질층이 액정으로 이루어지는 경우, 상술한 작용으로 양호한 스위칭이 가능하게 된다.
또, 본 발명의 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정 분자는 불규칙적으로 배향되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 액정 분자는 불규칙적으로 배향된다. 이 때 광은 차단되고, 출사광의 광 강도는 0이 된다. 또, 에너지 인가시에는 액정 분자가 에너지의 인가에 따라 규칙적으로 배향되어, 광이 투과한다. 이와 같은 액정 분자의 2개의 배향 상태와 상술한 굴절율 물질층의 굴절율의 관계를 선별함으로써, 양호한 스위칭을 행할 수 있다.
또, 본 발명은 매트릭스 형상으로 배열되는 복수의 화소 영역이 설정되고, 각 화소 영역에서 상기 한쌍의 에너지 전달 수단이 서로 대향하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상술한 바와 같은 작용으로 스위칭을 행하는 화소 영역이 복수개 설정되고, 각 화소의 상태를 조합시킴으로써, 예를 들면 화상 표시를 행할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 도광 수단을 향해 광을 조사하는 광원과,
상기 도광 수단으로부터의 출사광을 수광하는 수광 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 광원으로부터의 광을 등방 및 가변 물질층에 입사시키고, 상기 계면 또는 광 반사층의 반사면으로부터의 반사 광을 수광 수단으로 수광한다. 따라서, 편향 소자를 라이트 밸브로서 이용한 투사형 표시 장치를 실현할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 도광 수단에 입사하는 광이 무편광 광인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무편광 광을 등방 및 가변 굴절율 물질층에 입사시키기 때문에, 광의 이용 효율이 향상한다.
또, 본 발명은 도광 수단으로 입사하는 광이 편광 광인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 편광 광을 등방 및 가변 굴절율 물질층에 입사시키기 때문에, 광 이용 효율은 저하하지만, 높은 콘트라스트 비의 스위칭이 가능하다.
또, 본 발명의 상기 광 반전층은 한측면이 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면에 평행한 삼각 기둥 형상이고, 상기 이방 및 가변 굴절율 물질층의 계면에 대해 수직으로 삼각 기둥의 연장하는 방향에 대해 직교하는 방향의 단면 형상이 이등변 삼각형이고, 해당 이등변 삼각형의 동일 각인 광 반사층의 반사면의 경사각을 δ라 하고, 입사 광의 상기 계면의 법선 방향에 대한 입사각을 θ1이라 하면,
θ1/2 ≤ δ ≤ θ1 (1)
이 만족되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 이와 같은 형상의 광 반사층에 의해 광 반사층에서 반사한 광을 상기 프리즘의 제3표면으로부터 해당 표면에 대해 거의 수직으로 출사시킬 수 있다.
또, 본 발명은 상기 도광 수단으로 광을 편광 광으로 하는 편광 수단을 포함하고, 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정 분자를 얻을 수 있는 배향 상태의 소정의 한 상태에서, 이 액정 분자의 굴절율 이방성 정상 광 성분 및 이상 광 성분중 어느 한쪽과, 상기 편광 수단으로부터 이 액정 분자로 입사하는 편광의 진동 방향이 동일 평면에 포함된다. 상기 정상 광 성분 및 이상 광 성분은 편광의 진동 방향과 동일 평면에 포함되는 성분을 N1, 다른쪽의 성분을 N2, 상기 등방 굴절율 물질층의 굴절율을 N, 가변 굴절율 물질층으로의 편광이 입사각을 θ1, 가변 굴절율 물질층과 등방 굴절율 물질층과의 계면의 임계각을 θC라 하면,
N1 ≥ N/SINθC
N2 = N
θ1 ≥ θc
가 만족되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 편광 수단으로부터 가변 굴절율 물질층으로 입사한 편광은 이 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정 분자를 얻을 수 있는 배향 상태의 소정의 한 상태(지금, 이 상태를 상태 A라 한다)에서, 이 편광의 진동 방향이 이 액정 분자의 굴절율 이방성의 정상 광 성분 및 이상 광 성분 중 어느 한쪽 N1과 동일 평면에 포함됨과 동시에,
N1 ≥ N/SINθC
N2 = N
θ1 ≥ θc
이 만족됨으로써, 상기 편광은 가변 굴절율 물질층과 동방 굴절율 물질층과의 계면에서 전반사된다. 한편, 액정 분자의 배향 상태가 상기 상태 A에서 다른 상태로 변화하고, 예를 들면 굴절율 이방성의 정상 광 성분 및 이상 광 성분의 다른 쪽 N2를 도시하는 상태(이 상태를 상태 B라 한다)로 된 경우에는, 가변 굴절율 물질층으로 입사한 편광은 굴절율 N2의 가변 굴절율 물질층을 투과한 후에 굴절율 N의 등방 굴절율 물질층으로 입사하지만, 이 때, N2=N의 관계로부터 가변 굴절율 물질층과 등방 굴절율 물질층과의 계면에서 어떠한 작용도 받지 않고 투과한다. 즉, 액정 분자의 방향을 상기 상태 A와 B 사이에서 스위치시킴으로써, 가변 굴절율 물질층으로 입사하는 편광을 반사 또는 투과시키도록 변조하는 것이 가능하게 된다.
또, 액정 분자의 배향 상태가 상기 상태 A에서 상태 B사이의 상태를 갖는 경우네, 입사 광의 강도를 I, 입사 광의 진동 방향과 액정 분자의 장폭이 이루는 각을 Φ라 하면, 입사광 중, I.sinΦ의 강도의 광이 굴절율 N2의 가변 굴절율 물질층을 투과하여 등방 굴절율 물질층으로 입사하여, 계면에서의 작용을 받지 않고 투과한다. 이 때, 계면에서의 반사 성분과 투과 성분의 양 쪽이 출현하여, 상기 Φ를 선형적으로 변화시키면, 계조 표시가 가능하게 된다.
또, 상기 가변 굴절율 물질층은 상기 등방 굴절율 물질층의 층면에 평행한 면 내에서 배향 변화를 일으키기 때문에, 입사 광의 넓이에 대한 마진이 넓다. 또, 가변 굴절율 물질층에서 배향 규제력(언컬링 에너지)은 가변 굴절율 물질층의 법선 방향으로의 배향 변화에 대한 규제력에 비해, 평행한 면 내에서의 배향 변화에 대한 규제력의 힘이 일반적으로 작기 때문에, 비교적 작은 구동 전압에 의해 등방 굴절율 물질층의 층면에 평행한 면내에서 액정 분자의 배향 변화를 발생시킬 수 있다. 즉, 편향 소자는 비교적 낮은 구동 전압에 의해 광의 변조를 행하는 것이 가능하다.
또, 본 발명은 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정이 쌍안정 상태를 갖는 액정으로 이루어지고, 이 가변 굴절율 물질층으로 입사하는 편광의 진동 방향과, 상기 쌍안정 상태의 한쪽 상태에 있는 액정 분자의 배향 방향이 동일 평면에 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 가변 굴절율 물질층으로 입사한 편광의 진동 방향이 액정 분자의 쌍안정 상태의 한쪽과 동일 평면에 포함되기 때문에, 이 편광은 가변 굴절율 물질층과 등방 굴절율 물질층의 계면에서 전반사된다. 또, 액정 분자의 배향 상태가 다른쪽의 쌍안정 상태로 변화하면, 입사 광의 강도를 I, 액정의 분자의 배향 상태가 다른쪽의 쌍안정 상태로 변화하면, 입사 광의 강도를 I, 액정의 콘각을 Φ라 하면, 입사광 중 I,sinΦ의 강도의 광이 가변 굴절율 물질층을 투과한다. 이것에 의해, 액정을 구동하여 쌍안정 상태 사이에서 액정 분자의 스위칭을 발생시켜 광의 변조를 행하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명의 상기 액정이 쌍안정 상태의 한쪽 상태와 다른 쪽 상태에서 액정 분자가 이루는 콘 각이 약 90°인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 액정의 콘 각을 약 90°로 함으로써, 액정 분자가 한쪽의 안정 상태에 있는 경우에는, 입사 편광이 모두가 가변 굴절율 물질층과 등방 굴절율 물질층과의 계면에서 전반사한다. 한편, 액정 분자가 다른 쪽의 안정 상태로 스위치한 경우에 입사 광의 강도를 I, 액정의 콘 각을 Φ라 하면, 가변 굴절율 물질층을 투과하는 광의 강도는 I.sinΦ로 표시되고, Φ가 약 90°이기 때문에, 이 경우 입사 편광의 대부분이 가변 굴절율 물질층을 투과하게 된다. 이 결과, 콘트라스트 비가 높은 변조 광을 얻는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명의 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정이 단안전성 모드의 액정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 액정 분자의 배향 상태는 구동 전압이 인가되어 있는 사이의 구동 전압에 따라 변화하고, 구동 전압이 없어지면 안정 상태로 복귀한다. 예를 들면, 단안정 상태에서의 액정 분자의 배향 방향과 입사 편광의 진동 방향이 동일 평면내에 포함되도록 배치하면, 액정 분자가 단안정 상태에 있을 때, 즉 구동 전압이 인가되어 있지 않을 때, 입사 편광은 가변 굴절율 물질층과 등방 굴절율 물질층 사이에서 전방사하고, 구동 전압이 인가되어 액정 분자의 배향 방향으로 변화가 발생한 경우는 가변 굴절율 물질층을 투과하는 광의 강조는 구동 전압에 따라 연속적으로 변화한다. 이것에 의해, 변조광의 강도를 연속적으로 계조 변화시킬 수 있어, 이 편향 소자를, 예를 들면 표시 장치 등에 적용하면 계조 표시가 가능하게 된다.
또, 본 발명은 상술한 바와 같은 편향 소자를 라이트 밸브로서 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따르면, 편향 소자를 라이트 밸브로 구비함으로써, 비교적 작은 구동 전압에 의해 콘트라스트 비가 높은 표시가 가능한 편광 소자를 이용한 투사형 표시 장치를 실현할 수 있다.
본 발명의 이들 목적과 그 이외의 목적과 특색과 이점은 하기의 상세한 설명과 도면으로부터 한층 명확하게 된다.
제1도는 본 발명이 제1 실시 형태인 편향 소자(1)의 구성을 도시하는 단면도.
제2도는 프리즘(12)의 크기를 설명하기 위한 도면.
제3도는 경사 수단(3) 및 광 반사 전극(4)이 형성된 절연성 기판(2)의 구성을 도시하는 단면 사시도.
제4도는 다른 형태의 경사 수단(3a)과 광 반사 전극(4)이 형성된 절연성 기판(2)의 구성을 도시하는 사시도.
제5도는 경사 수단(3, 3a)을 작성하기 위해 이용되는 금형(28)의 제조 방법을 도시하는 공정도.
제6(a)도∼제6(g)도는 상기 금형(28)을 작성하는 방법을 단계적으로 설명하기 위한 단면도.
제7도는 편형 소자(1)의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
제8도는 굴절율 n1, n2가 n1 〉 n2의 관계를 갖는 경우와 입사 광(15)이 입사각 θ1에 의한 반사 광(16) 및 투과 광(17)의 광 각도의 변화를 도시하는 그래프.
제9도는 굴절율 n2를 1.5로 정해 굴절율 n1을 변화한 때의 임계각 θc를 도시하는 그래프.
제10(a)도∼제10(b)도는 굴절율 n1을 변화한 때의 광 각도를 도시하는 그래프.
제11(a)도∼제11(b)도는 경사 수단(3)의 경사 각 δ와 출사광(20a, 20b)을 도시하는 도면.
제12(a)도∼제12(b)도는 공기층과 글라스 사이의 입사각 θ1에 의한 반사 광(16) 및 투과 광(17)의 광 각도를 도시하는 그래프.
제13(a)도∼제13(b)도는 프리즘(12)의 제3표면(12c)의 영역 A2의 크기와 실제 스위칭 영역 A1의 크기와의 관계를 설명하기 위한 도면.
제14도는 편향 소자(1)로부터의 출사광의 광 강도를 검출하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면.
제15도는 인가 전압과 편향 소자(1)로부터의 출사광(36,37)의 광 강도와의 관계를 도시하는 그래프.
제16도는 본 발명의 제2 실시 형태인 편향 소자(1a)로부터의 출사광의 광 강도를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면.
제17도는 인가 전압과 편향 소자(1a)로부터의 출사광(36,37)의 광 강도와의 관계를 도시하는 그래프.
제18도는 본 발명의 제3 실시 형태인 편향 소자(41)의 구성을 도시하는 사시도.
제19도는 본 발명의 제4 실시 형태인 편향 소자(51)의 구성을 도시하는 단면도.
제20도는 TFT 소자(52)의 제조 방법을 도시하는 공정도.
제21도는 본 발명의 제5 실시 형태인 투사형 표시 장치(61)의 구성을 도시하는 도면.
제22도는 본 발명의 제6 실시 형태인 투사형 표시 장치(71)의 구성을 도시하는 도면.
제23도는 본 발명의 제7 실시 형태인 투사형 표시 장치(81)의 구성을 도시하는 도면.
제24도는 본 발명이 제8 실시 형태인 투사형 표시 장치(91)의 구성을 도시하는 도면.
제25(a)도∼제25(d)도는 본 발명에 기초한 편향 소자의 구성을 크게 나누어 도시하는 도면.
제26도는 본 발명의 제9 실시 형태인 편향 소자(131)의 구성을 도시하는 단면도.
제27(a)도 및 제27(b)도는 제1 실시 형태의 편향 소자(1)에서의 광의 행동을 설명하기 위한 모식도.
제28(a)도 및 제28(b)도는 제1 실시 형태의 편향 소자(1)를 사용할 때의 상태를 설명하기 위한 모식도.
제29도는 전극(4, 9) 사이의 인가 전압과 편향 소자(1,131)로부터 출사되는 온상태 광 및 오프 상태 광의 관계를 도시하는 그래프.
제30(a)도 및 제30(b)도는 제9 실시 형태의 편향 소자(131)에서의 광이 행동을 설명하기 위한 모식도.
제31(a)도∼제31(e)도는 제9 실시 형태의 편향 소자(131)의 제조 공정을 단계적으로 도시하는 단면도.
제32(a)도∼제32(d)도는 제9 실시 형태의 편향 소자(131)의 제조 공정을 단계적으로 도시하는 단면도.
제33도는 편향 소자(131)의 제조에 이용되는 포토마스크(179)를 도시하는 평면도.
제34도는 본 발명의 제10 실시 형태인 편향 소자에서, 구동 전압이 인가된 경우의 액정 분자의 배향 변화를 도시하는 모식도.
제35(a)도, 제35(b)도는 상기 편향 소자에서, 액정 분자가 쌍안정 상태의 한쪽인 안정 상태 SA에 있는 경우에, 가변 굴절율 물질층으로 편광이 입사하는 양자를 모식적으로 도시한 것으로, 제35(a)도는 가변 굴절율 물질층의 경사진 상방에서 본 사시도이고, 제35(b)도는 가변 굴절율 물질층의 법선 방향 상태에서 본 평면도이며, 제35(c)도는 액정 분자가 쌍안정 상태의 다른 쪽인 안정 상태 SB에 있는 경우의 입사 광의 광로를 모식적으로 도시하는 사시도.
제36도는 제14도에 도시하는 측정계에서 측정된 광학 특성을 도시하는 그래프.
제37(a)도는 액정 분자의 배향 상태가 입사 편광의 진동 방향과 평행한 방향에 있는 경우에, 가변 굴절율 물질층을 투과하는 광(이상 광 성분)의 강도를 도시하는 모식도이고, 제37(b)도는 액정 분자의 배향 상태가 제37(a)도에 도시하는 상태에서 Φ(0°〈 Φ〈 90°) 만큼 회전할 경우에, 가변 굴절율 물질층을 투과하는 광(이상 광 및 정상광 성분)의 강도를 도시하는 모식도이며, 제37(c)도는 액정 분자의 배향 상태가 제37(a)도에 도시하는 상태에서 90°회전할 경우에 가변 굴절율 물질층을 투과하는 광(정상광 성분)의 강도를 도시하는 모식도.
제38도는 본 발명의 제11 실시 형태인 편향 소자에서, 액정 분자의 배향 상태가 인가되는 구동 전압에 따라 변화하는 양자를 도시하는 모식도.
제39도는 상기 편향 소자에서 액정 분자의 배향 변화에 대한 광의 반사율 및 투과율을 도시하는 그래프.
제40도는 상기 편향 소자에서 인가 전압에 대한 광의 반사율 및 투과율을 도시하는 그래프.
제41도는 종래 기술인 광 스위치(101)의 구성을 도시하는 평면도.
제42도는 상기 광 스위치(101)의 구성을 도시하는 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 편향 소자 2 : 절연성 기판
3 : 경사 수단 4 : 광 반사 전극
5 : 등방 굴절율 물질층 6,8 : 배향막
7 : 가변 굴절율 물질층 9 : 투명 전극
10 : 투광성 기판 11 : 접착층
12 : 프리즘 13,14 : 기판 부재
이하, 도면을 참조하여 본 발명이 적합한 실시예를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 제1 실시 형태인 편향 소자(1)의 구성을 도시하는 단면도이다. 편향 소자(1)는 절연성 기판(2), 경사 수단(3), 광 반사 전극(4), 등방 굴절율 물질층(5), 배향막(6, 8), 가변 굴절율 물질층(7), 투명 전극(9), 투과성 기판(10), 접착층(11)및 프리즘(12)을 포함하여 구성된다. 편향 소자(1)는 가변 굴절율 물질로서 액정을, 외부로부터 공급되는 에너지로서 전계를 각각 사용하는 것이다. 광 반사 전극(4)은 광 반사층 및 한쌍의 에너지 전달 수단 중 한쪽 에너지 전달 수단으로서 기능하고, 절연성 기판(2), 경사 수단(3) 및 광 반사 전극(4)을 포함하여 한쪽의 에너지 인가 수단 및 광 반사층이 일체적으로 구성된다. 또, 다른쪽 에너지 전달 수단인 투명 전극(9) 및 투광성 기판(10)을 포함하여 다른쪽의 에너지 인가 수단이 구성된다. 또, 상기 프리즘(12)은 도광 수단이다.
또, 본 형태에서는 등방 굴절율 물질층(5)로서 고체인 고분자막을 사용하고, 가변 굴절율 물질층(7)로서 액정을 이용하기 때문에, 액정을 사이에 끼우는 한쪽 기판 부재(13)와 다른 쪽 기판 부재(14)로 나누어 설명한다. 한쪽 기판 부재(13)는 절연성 기판(2), 경사 수단(3), 광 반사 전극(4), 등방 굴절율 물질층(5) 및 배향막(6)을 포함하여 구성되고, 다른 쪽 기판 부재(14)는 배향막(8), 투명 전극(9) 및 투과성 기판(10)을 포함하여 구성된다.
예를 들면, 코닝사제, 상품명 7059의 글라스 기판으로 실현되는 절연성 기판(2)의 한쪽 표면(2a) 상에는 후술하는 바와 같이 하여 작성된 금형을 이용하여 상기 절연성 기판(2)의 한쪽 표면(2a)로부터 소정의 각도 δ(δ≠0°)만큼 경사진 경사 수단(3)이 형성되고, 또 경사 수단(3)의 표면을 덮어 광 반사 전극(4)이 형성된다. 광 반사층(4)은, 예를 들면 알루미늄으로 실현되고, 스퍼터링법에 의해 작성된다. 상기 각도 δ는, 예를 들면 35°으로 선별된다.
광 반사 전극(4) 상에는, 예를 들면 굴절율이 1.54 정도의 폴리비닐알콜(PVA)로 실현되는 등방 굴절율 물질층(5)이 형성된다. 상기 PVA층은 5 wt%의 PVA 수용액을 스핀코트법에 의해 도포하고, 180℃에서 30분간 소성함으로써 형성된다. 이와 같이 해서 작성되는 등방 굴절율 물질층(5)은 상기 경사 수단(3)에 의한 표면의 요철을 평탄화하는 평탄화막으로서의 기능을 갖는 데다가, 가변 굴절율 물질층(7)으로서 사용하는 액정의 배향 제어막으로서의 기능도 겸비한다.
이 등방 굴절율 물질층(5) PVA층의 표면에 러빙법 등으로 배향 처리를 실시함으로써, 배향 제어막으로서의 기능이 부여된다. 이와 같이 해서, 한쪽 기판 부재(13)를 완성한다. 또, 상기 PVA 대신에, 예를 들면 굴절율이 1.6 정도인 폴리염화비닐리덴을 이용해도 좋고, 이 경우, 예를 들면 폴리염화비닐리덴을 적당한 용매에 녹이고, 스핀코드법에 의해 0.5㎛ ∼ 1.0㎛ 정도의 막 두께로 도포하여 등방 굴절율 물질층(5)이 형성된다.
예를 들면, 상기 절연성 기판(2)과 동일 글라스 기판으로 실현되는 투과성 기판(10)의 한쪽 표면(10a)상에는, 예를 들면 ITO(인듐 주석 산화물)로 실현되는 투명 전극(9)이 스퍼터링법에 의해 형성되고, 또, 투명 전극(9)을 힙어 배향막(8)이 형성된다. 배향막(8)은 상기 배향막(6)과 동일하게 해서 형성된다. 이와 같이 해서 다른쪽 기판 부재(14)를 완성한다.
한쪽 및 다른 쪽 기판 부재(13, 14)는 서로 배향막(6, 8)끼리 대향하도록 해서 배치된다. 여기에서, 배향 처리 방향(러빙 처리 방향)은 평행 또한 반대 방향이 되도록 선별된다. 또 기판 부재(13, 14) 사이에 입자 직경이 10㎛인 글라스 비즈로 실현되는 스페이서가 배치되어, 해당 기판 부재(13, 14)가 접착제로 접착된다. 따라서, 기판 부재(13, 14) 사이에는 10㎛의 간극이 형성된다. 이 간극에는, 예를 들면 메룩사제, 상품명 BL007, 이상 광 굴절율 ne = 1.820, 정상 광 굴절율 n0 = 1.533의 액정이 진공 탈기법으로 주입된다. 액정의 주입구를 봉지하여, 가변 굴절율 물질층(7)이 형성된다. 주입한 액정 분자는 배향막(6, 8)의 배향 규제력에 의해 호모지니어스하게 배향하여, 일축성의 액정 재료로 이루어지는 가변 굴절율 물질층(7)이 형성된다.
다른쪽 기판 부재(14)의 가변 굴절율 물질층(7)과는 반대측 표면인 투과성 기판(10)의 상기 한쪽 표면(10a)과는 반대인 다른쪽 표면(10b)상에는 접착층(11)을 통해 클라스제의 프리즘(12)이 접착된다. 프리즘(12)은 다른쪽 기판 부재(14)측으로부터의 입사광이 투광성 기판(10)의 표면에서 반사하는 것을 반지하고, 또한 제2표면(12b)로부터의 입사 광 중 해당 제2표면(12b)의 법선 방향을 기준으로 하여 ±20°를 이루는 각도의 범위로부터의 입사 광을 등방 및 가변 굴절율 물질층(5, 7)으로 유도하는 것이고, 투광성 기판(10)과 거의 동일한 굴절율을 갖는 재료로 실현된다. 또, 상기 접착층(11)은 투광성 기판(10) 및 프리즘(12)과 굴절율 및 투과성 스펙트럼이 거의 동일한 재료로 실현되고, 예를 들면 록타이트사제, 상품명 록타이트 365가 이용된다.
상기 프리즘(12)은 도시되는 바와 같이 단면 형상이 사다리꼴 형태로 선별되고, 상기 접착제(11)에 의해 투과성 기판(10)에 접착되는 제1표면(12a), 제1표면(12a)과 평행하고 또한 제1표면(12a)보다도 외측으로 배치되고, 광 출사면과 이루는 제3표면(12C)을 갖는다. 제1표면(12a)과 제2표면(12b)과 이루는 각 α는 50°이상 90°미만의 범위로 선별되고, 이것에 의해 제2표면(12b)으로부터의 입사광이 확실히 굴절율 물질층(5, 7)으로 유도된다. 예를 들면, 각 α는 70°로 선별된다.
제2도는 상기 프리즘(12)의 크기를 설명하기 위한 도면이다. 제3표면(12c)의 영역 A3은 편향 소자(1)가, 예를 들면 표시 장치로서 이용되는 경우, 실제의 표시에 관계되는 실제 표시 영역 A2보다 크게 되도록 선별된다. 편향 소자(1)가 다른 스위칭 소자로서 이용되는 경우, 실제의 스위칭에 관계되는 실제 스위칭 영역 A2보다도 크게 되도록 제3표면(12c)의 영역 A3이 선별된다. 이것에 의해, 전체의 반사 광을 제3표면(12c)으로부터 출사시킬 수 있다. 또, 상기 제2표면(12b)으로부터의 입사광에 의해 제1표면(12a)에 투영되는 제2표면(12b)의 사영 영역 A1도 실제 스위칭 영역 A2보다도 크게 되도록 선별된다. 이것에 의해, 실제 스위칭 영역 A2 전체에 광을 입사시킬 수 있다.
제3도는 경사 수단(3) 및 광 반사 전극(4)이 형성된 절연성 기판(2)을 도시하는 단면 사시도이다. 경사 수단(3)의 형상은 삼각 기둥 형상이고, 삼각 기둥의 한측면이 절연성 기판(2)의 한쪽 표면(2a)에 접하도록 해서 규칙적으로 배치된다 삼각 기둥의 상기 절연성 기판(2)에 접하는 일측면이 아닌 다른 측면에 접하는 변을 지나, 삼각 기둥이 연장하는 방향에 직교하는 방향에서, 절연성 기판(2)의 표면에 수직인 절단면에서의 단면 형상은 직각 삼각형으로 선별된다. 단면 직각 삼각형이 절연성 기판(2)의 표면(2a)과 이루는 2개의 각 중 한쪽 각이 직각으로, 다른 쪽 각이 δ로 선별된다. 각 δ와, 등방 및 가변 굴절율 물질층(5, 7)으로의 입사광의 입사각 θ1, 즉 상기 입사광의 입사 방향과 굴절율 물질층(5, 7)의 계면의 법선 방향이 이루는 각 θ1은
θ1/2 ≤ δ ≤ θ (1)
의 관계를 만족하도록 선별된다.
제4도는 다른 형상의 경사 수단(3a)과 광 반사 전극(4)이 형성된 절연성 기판(2)을 도시하는 사시도이다. 경사 수단(3a)의 형상은 삼각 기둥 형상이고, 삼각 기둥의 한 측면이 절연성 기판(2)의 한쪽 표면(2a)에 접하도록 해서 규칙적으로 배치된다 삼각 기둥이 상기 절연성 기판(2)에 접하는 일측면이 아닌 다른 측면이 접하는 변을 지나 삼각 기둥이 연장하는 방향에 직교하는 방향에서, 절연성 기판(2)의 표면에 수직인 절단면에서의 단면 형상은 이등변 삼각형으로 선별된다. 단면 이등변 삼각형이 절연성 기판(2)의 표면(2a)과 이루는 2개의 각이 각각 δ로 선별된다. 각 δ와 상기 입사각 θ1은 상기 식(1)의 관계를 만족하도록 선별된다.
제5도는 경사 수단(3, 3a)을 작성하기 위해 이용되는 금형(28)의 제조 방법을 도시하는 공정도이다. 제6(a)도 ∼ 제6(g)도는 해당 금형(28)의 제조 방법을 단계적으로 도시하는 단면도이다. 공정 T1에서는 제6(a)도에 도시되는 바와 같이 글라스 등의 평탄한 기판(21)상에, 예를 들면 동경응화사제, 상품명 OFPR-800으로 실현되는 포토레지스트가 스핀코드법에 의해 도포되어 포토레지스트막(22)이 형성된다. 포토레지스트막(22)의 두께는 상기 경사 수단(3, 3a)의 단면 직각 삼각형 또는 단면 이등변 삼각형의 높이 이상으로 선별되는 것이 바람직하고, 예를 들면 1㎛ ∼ 50 ㎛의 막 두께로 형성된다.
공정 T2에서는 제6(b)도에 도시되는 바와 같이 Ar(아르곤)등의 레이저 광(23)이 포토레지스트막(22)에 조사되고, 포토레지스트막(22)가 가공된다. 공정 T3에서는 현상되고, 제6(c)도에 도시되는 바와 같은 경사진 톱니파 형상의 포토레지스트막(24)이 형성된다.
공정 T4에서는 포토레지스트막(24)상에 Ni(니켈)이 스퍼터링법에 의해, 제6(d)도에 도시되는 바와 같이 퇴적되어 Ni막(25)이 형성된다. 공정 T5에서는 제6(e)도에 도시되는 바와 같이 주사형 터널 현미경(STM : Scanning Tunnel Microscope)의 탐침(26)에 의해 표면 형상이 검사된다. 공정 T6에서는 상기 Ni막(25)상에 전주(電鑄)에 의해 제6(f)도에 도시되도록 또 Ni막(27)이 형성된다. 전주는 양극으로서 전해 니켈을, 도금욕으로서 Ni-SO4-NH4C1-H3BO3을 각각 이용하여 온도 30 ℃ 및 전류 1A/dm2의 조건으로 행했다.
공정 T7에서는 기관(21) 및 포토레지스트막(24)을 제거함으로써, 상기 Ni막(25, 27)으로 이루어지는 제6(g)도에 도시되는 바와 같은 금형(28)을 이용하여 절연성 기판(2)의 한쪽 표면(2a)에 경사 수단(3, 3a)이 형성된다. 예를 들면, 사출 형성법에 의해 형성된다.
제7도는 편향 소자(1)의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 편향소자(1)가 갖는 등방 및 가변의 2개의 굴절을 물질층중 한쪽 굴절을 물질층을 굴절율 n1의 제1 굴절율 물질층으로 하고, 다른 쪽 굴절율 물질층을 굴절율 n2의 제3 굴절율 물질층으로 설명한다.
제1 굴절율 물질층으로의 입사광(15)은 해당 광의 입사 방향과 제1 및 제2 굴절율 물질층의 계면의 법선 방향(18)과 이루는 각인 입사각 θ1로 입사하여, 상기 계면에서의 작용을 받아 들인다. 이것에 의해, 상기 계면에서 반사하여 다시 제1 굴절율 물질층 방향으로 진행하는 반사 광(16)과, 상기 계면을 투과하여 제2 굴절율 물질층 방향으로 진행하는 반사 광(16)과, 상기 계면을 투과하여 제2 굴절율 물질층 방향으로 진행하는 투과광(17)으로 분리된다. 반사광(16)의 반사 방향과 상기 법선 방향(18)과 이루는 각인 출사 각을 θ2라 하고, 투과 광(17)의 투과 방향과 상기 법선 방향(18)이 이루는 각인 출사각을 θ3이라 한다. 반사광(16) 및 투과광(17)의 광 각도는 Fresnel의 식에 기초하여,
Rp = (n2·cosθ1 - n1·cosθ3)/(n2·cosθ1 + n1·cosθ3)
Rs = (n1·cosθ1 - n2·cosθ3)/(n1·cosθ1 + n2·cosθ3)
Tp = (2·n1·cosθ1)/(n2·cosθ1 + n1·cosθ3)
Ts = (2·n1·cosθ1)/(n1·cosθ1 + n2·cosθ3)
로 산출된다. 여기에서, R.T는 반사광(16)의 강도 및 투과광(17)의 강도를 각각 표시하고, 첨자 p.s는 입사면에 대해 평행한 편광(p 편광) 및 입사면에 대해 수직인편광(S 편광)의 광 각도를 각각 표시한다.
또, 투과 광(17)의 출사각 θ3은 Shell의 법칙에 따라.
n1·sinθ1 = n2·sinθ3
로 산출된다. 또 반사광(16)의 출사각 θ2와 입사각 θ1과의 절대값은 동일하게 된다.
제8도는 굴절율 n1, n2가 n1 〉 n2의 관계를 갖고 있는 경우의 입사광(15)의 입사각 θ1에 의한 반사광(16) 및 투과광(17)의 광 강도의 변화를 도시하는 그래프이다. 곡선 L1, L2는 반사광(16)의 광 강도의 변화 및 투과광(17)의 광 강도의 변화를 각각 표시한다. 실제로는 n1 = 1.7, n2 = 1.5로 했다.
입사각 θ1이 60。보다 크게 되면, 투과광(17)의 강도가 0이 되고, 입사광(15)의 전부가 반사하여 반사광(16)이 됨을 알 수 있다. 이와 같은 전반사를 일으키는 입사각 중의 최소값은 임계각 θc라 칭한다.
제9도는 굴절율 n2를 1.5로 정하고 굴절율 n1을 변화시킬 때의 임계각 θC를 도시하는 그래프이다. 굴절율 n1, n2의 굴절율 차가 큰 만큼 임계각 θc가 작아지는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 굴절율 물질층의 굴절율 차를 크게 함으로써, 입사각 θ1을 작게 할 수 있다.
또, 2개의 굴절율 물질층 중 어느 한쪽 굴절율 물질층은 외장에 의해 굴절율이 변화하는 가변 굴절율 물질층으로 이루어진다. 예를 들면, 가변 굴절율 물질층의 굴절율을 n1이라 하고, 등방 굴절율 물질층의 굴절율을 n2라 하면, 가변 굴절율 믈질층의 굴절율 n1의 최대 및 최소 굴절율 n1max, n1min은
n1max ≥ n2/sinθc
n1min = n2
가 된다. 즉, 가변 굴절율 물질층의 굴절율 n1의 변화 범위는, 식(14)로 표시되며 입사광(15)이 상기 계면에서 전반사하는 값으로부터, 식(15)를 표시되며 2개의 굴절율 물질층의 굴절율이 동일하게 되는 값 까지의 범위이다. 또, 상기 최대 굴절율 n1max를 이상 광 굴절율 nlne로, 최소 굴절율 n1min을 정상 광 굴절율로 각각 치환해도 마찬가지이다.
가변 굴절율 물질층의 굴절율 n1의 변화 범위, 즉 n2 〈 n1 〈 n2/sinθ2c의 범위중에서는 상기 계면을 투과하는 투가 광(17)이 발생하고, 반사광(16)의 광 강도를 변화하는 것이 가능하다. 예를 들면, 굴절율 n1max(nlne)일 때면 온 상태라 하고, 굴절율 n1min(nlno)일 때를 오프 상태로 할 수 있다. 또, n2 〉 n1 〉 n2/sinθc의 범위일 때를 계조 표시 상태라 할 수 있다.
제10(a)도는 입사각 θ1이 60。 일 때에, 굴절율 n2를 1.5로 정하고 굴절율 n1을 변화시킬 때의 광 강도를 도시하는 그래프이다. 제10(b)도는 입사각 θ1이 70。 일 때에, 굴절율 n2를 1.5로 정하고 굴절율 n1을 변화시킬 때의 광 강도를 도시하는 그래프이다. 곡선 L7, L8은 P편광의 투과광(17)의 광 강도를, 곡선 L9, L10은 S 편광의 투과광(17)의 광 강도를 각각 표시한다. 가변 굴절율 물질층의 굴절율을 변화시킴으로써, 반사 광량을 연속적으로 변화시키는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
이상이 편광 소자(1)의 기본적인 동작 원리로, 구체적으로는 프리즘(12)을 통해 입사한 입사 광을 가변 및 등방 굴절율 물질층(7, 5)의 계면에서 반사하는 반사광과 상기 계면을 투과하는 투과광으로 분할하고, 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율을 변화시킴으로써, 반사광 및 투과광의 광 강도를 변경할 수 있다. 또, 상기 투과 광은 광 반사 전극(4)의 표면에서 반사한다. 상기 굴절율 물질층(7, 5)의 계면에서의 반사 광과 광 반사 전극(4)의 표면에서의 반사 광을 다른 방향으로 출사시킴으로써, 광의 간섭을 발생하지 않고, 스위칭을 행할 수 있다. 이 때문에, 상기 각도 δ(경사각 δ)을 갖는 경사 수단(3)에 의해 광 반사 전극(4)의 표면을 경사지게 하고 있다.
또, 본 형태에서는 가변 굴절율 물질층(7)을 액정을 이용하여 구성하고, 특정 편광을 이용하여 스위칭을 행하는 구성으로 하고 있기 때문에, 배향막(6, 8)이 필요하게 된다. 따라서, 전술한 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)과의 계면에서의 광의 반사 및 투과에서, 배향막(6)에 의한 영향이 고려된다. 그러나, 배향막은 액정을 이용한 소자에서 대부분 일반적으로 이용되고, 또 배향막의 굴절율은 액정에 거의 동일하고, 해당 배향막에 의한 광의 굴절은 대부분 무시할 수 있는 것이라고 생각된다.
편향 소자(1)에서, 입사각 +θ1로 입사한 입사광 중 굴절율 물질층(7, 5) 계면에서 반사한 반사 광은 상기 입사각 θ1과 절대값이 동일한 출사각 -θ2로 출사한다. 상기 계면을 투과한 광은 출사각 θ3으로 등방 굴절율 물질층(5)에 입사하고, 광 반사 전극(4) 표면에서 반사한다. 이 반사 광은 절연성 기판(2)의 표면(2a)에 대해 -(θ3 ± 2·δ)의 방향으로 반사하여 출사한다. 이와 같은 구성으로 선택하여 상기 계면에서 분리된 광을 다시 합성되지 않도록 해서 광의 간섭에 의한 악 영향을 방지할 수 있다.
제11(a)도는 경사 수단(3)의 경사각 δ가 δ ≠ 0 또한 δ ≠ θ1/2인 경우의 출사광(20a, 20b)을 도시하는 도면이다. 제11(b)도는 경사 수단(3)의 경사 각 δ가 δ = θ1/2인 경우의 출사광(20a, 20b)을 도시하는 도면이다.
프리즘(12)으로의 입사광(19)은 프리즘(12)의 광 입사측의 제2표면(12b)에 대해, 예를 들면 수직으로 입사한다. 따라서, 상기 입사각 θ1은 프리즘(12)의 각도α에 의해 결정된다. 굴절율 물질층(7, 5)의 계면에서 반사한 광(온 상태 광 : 20a)은 경사 수단(3)의 경사각 δ에 관계없이 전술한 바와 같이 입사각 θ1과 절대값이 동일한 출사각 θ2로, 즉 프리즘(12)의 광 출사측의 제2표면(12b)에 대해 수직으로 출사한다.
굴절율 물질층(7, 5)의 계면을 투과하고, 광 반사 전극(4)의 표면에서 반사한 광(오프 상태 광 : 20b)은 경사 각 δ가 δ ≠ 0 또한 δ ≠ θ1/2인 경우에는 프리즘(12)의 제3표면(12c)에 대해 수직 이외의 각도로 출사하고, 경사각 δ가 δ = θ1/2인 경우에는 프리즘(12)의 제3표면(12c)에 대해 수직으로 출사한다.
또, 상기 광(20a)을 오프 상태 광으로서, 광(20b)을 온 상태 광으로 해도 관계없다.
상기 프리즘(12)의 각도 α는 투과성 기판(10)의 표면(10b)에서의 광의 반사를 고려하여, 전술한 바와 같이 50。이상 90。 미만의 범위로 선택한다. 이것에 의해, 편광 소자(1)의 광의 입사 혀용 범위는 ±10。 정도가 된다. 또, 프리즘(12)은 이하와 같은 이유로부터 배치된다. 굴절율 물질층(5, 7)의 굴절율 차는 크게 잡아도 0.4를 초과하는 조합은 현재 이용되고 있는 재료 중에서 고려되지 않는다. 또, 외장에 의해 변화하는 굴절율이 상기 식(14) 및 식(15)의 관계를 만족하는 가변 굴절율 물질층을 현재 이용되고 있는 이방성 광학 결정, 액정 및 고분자 등 중에서 구성하는 것도 고려되지 않는다. 그러나, 공기와 글라스와의 굴절율 차는 0.4를 초과한다. 이것은 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 전반사하는 입사각에서는 공기와 투광성 기판(10)과의 계면에서 전반사하는 것을 의미한다.
제12(a)도는 공기층에서 글라스로 광을 조사할 때, 입사각 θ1에 의한 반사광(16) 및 투과광(17)의 광 강도를 도시하는 그래프이다. 제12(b)도는 글라스에서 공기층으로 광을 조사할 때, 입사각 θ1에 의한 반사광(16)의 강도를 도시하고, 곡선 L12, 14는 투과광(17)의 강도를 도시한다. 이들 글라스로부터, 광 입사면과 굴절율 물질층(5, 7)의 계면이 평행하게 배치되는 경우, 입사광(15)의 손실이 크고, 출사광 양이 작아져 버리는 것을 알 수 있다.
본 형태에서는 이와 같은 불합리를 해소하기 위해, 프리즘(12)을 배치하고 있다. 프리즘(12)의 제2표면(12b)로부터의 입사 광을 이용함으로써, 광 입사면과 굴절율 물질층(5, 7)의 계면은 평행하지 않게 되고, 이 때문에, 입사광(15)의 손실이 적게 되며, 출사광의 양이 증대한다.
제13(a)도, 제13(b)도는 프리즘(12) 내에서의 광의 궤적을 도시하는 도면이다. 제13(a)도는 제3표면(12c)의 영역 A3이 실제 스위칭 영역 A2의 크기와 동일하고, 또는 그것보다도 작은 경우를 도시한다. 이 경우, 굴절율 물질층(5, 7) 측으로부터 프리즘(12)에 입사한 광의 일부는 프리즘(12)의 제2표면(12b)에 도달하고, 해당 표면(12b)에서 반사하여 다시 굴절율 물질층(5, 7)방향으로 진행한다. 따라서, 프리즘(12) 내에 가두어지는 광이 발생해버려, 양호한 스위칭이 가능하지 않다.
제13(b)도는 제3표면(12c)의 영역 A3이 실제 스위칭 영역 A2의 크기보다 큰 경우를 도시한다. 이 경우, 굴절율 물질층 (5, 7)측에서 프리즘(12)으로 입사한 광은 모두 프리즘(12)의 제3표면(12c)에 도달하고, 해당 표면(12c)으로부터 출사한다.
따라서, 프리즘(12)의 제3표면(12c)의 영역 A3의 크기와 실제 스위칭 영역 A2의 크기는 제3표면(12c) 쪽의 크게 되도록 선별하는 것이 바람직하다.
또, 프리즘(12)의 입사면 측의 제2표면 (12b)으로부터의 입사 광에 의해 제1표면(12a)에 투영되는 제2표면(12b)의 사영 영역 A1은 실제 스위칭 영역 A2의 크기와 동일하게, 또는 그것보다 크게 되도록 선별하는 것이 바람직하다. 이것은 제2표면(12b)에 의한 사영 영역 A1이 실제 스위칭 영역 A2의 크기보다 작으면, 입사광이 실제 스위칭 영역 A2 전면에 조사되지 않아 양호한 스위칭이 가능하기 때문이다.
제14도는 편향 소자(1)로부터의 출사광의 광 강도를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 광원(32)으로부터의 광(35)은 편광판(31)을 통해 편향 소자(1)의 프리즘(12)의 광 입사측의 제2표면(12b)으로부터 입사각 θ1로 입사한다. 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광(온 상태 광 : 36)은 프리즘(12)의 광 출사측의 제2표면(12b)으로부터 출사하고, 수광 수단인 검출기(33)에서 그 광 강도가 검출된다. 광 반사 전극(4)에서 반사하여 출사하는 광(오프 상태 광 : 37)은 프리즘(12)의 광 출사측의 제3표면(12c)으로부터 출사하고, 검출기(34)에서 그 광 강도가 검출된다.
제15도는 인가 전압과 편향 소자(1)로부터의 출사광(36, 37)의 광 강도와의 관계를 도시하는 그래프이다. 인가 전압의 상승에 따라 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율 n1을 변화한다. 본 형태에서, 가변 굴절율 물질층(7)에는 p형의 네마틱 액정을 이용하고 있기 때문에, 인가 전압의 증대에 따라 굴절율 n1은 감소한다. 곡선 L15는 상기 온 상태 광(36)의 광 강도를, 곡선 L16은 상기 오프 상태 광(37)의 광 강도를 각각 도시한다. 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율 n1과 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율 n2가 n2 〈 n1 〈 n2/sinθc로 이루어지는 인가 전압의 범위가 표시가능 영역 B1이다. 그래프중 점 c에서는 굴절율 n1,n2가 동일하게 된다. 또 상기 표시 가능 영역 B1의 하한이 되는 전압 이하의 범위는 온 상태광(36)만이 얻어지는 전반사 영역 B1이다. 본 형태에서 n1의 변화 범위는 1.6 ∼ 1.71이 된다.
제1 실시 형태에 의하면, 특정 편광의 입사광은 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광과 상기 계면을 투과하고 광 반사 전극(4)에서 반사하여 상기 출사광과는 다른 방향으로 출사하는 광으로 분할된다. 이와 같은 편향 소자(1)는 광 스위치로서 충분한 온/오프 비가 얻어진다.
또, 본 형태에서는 가변 굴절율 물질층(7)으로서 액정을 이용하고 있지만, 액정 대신에 니오브산 리튬 등의 광학 이방성 결정을 이용해도 상관없다. 이 경우, 광학 이방성 결정으로 이루어지는 가변 굴절율 물질층(7)과 투과성 기판(10)을 겸용하는 것이 가능하다.
또, 액정 분자의 배향 제어 방법은 러빙법에 한하지 않고, 사방 증착법(斜方 蒸着法)을 채용해도 상관없다. 배향 방법도 호모지니어스 배향에 한정되지 않고, 액정의 굴절율이 연속적으로 변화하는 배향 방법이면, 어떤 배향 방법이어도 상관없다.
또, 경사 수단(3) 및 금형의 작성 방법은 상술한 방법에 한정되지 않고, 소정의 형상이 형성되는 방법이면 어떤 방법이어도 상관없다.
또, 외부로부터 인가되는 에너지로서 전계를 사용했지만, 예를 들면 자장 등, 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율을 변화시키는 에너지이면 어떤 에너지를 이용해도 상관없다.
또, 투과성 기판(10)과 프리즘(12)을 겸용하여 구성해도 상관없다.
본 형태에서는 경사 수단(3)측에 등방 굴절율 물질층(5)을 배치하고, 프리즘(12)측에 가변 굴절율 물질층(7)을 배치했다. 또, 일축성의 액정 재료에 의해 가변 굴절율 물질층(7)이 구성된다. 따라서, 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율 n2, 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율 n1, 해당 물질층(7)의 정상 광 굴절율 no, 이상 광 굴절율 ne는 상기 식(2) ∼ 식(4)의 관계를 만족한다.
또, 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)이 반대이어도 상관없다. 단, 이 경우, 각 굴절율 n1, n2, no, ne는 상기 식(5) ∼ (7)의 관계를 만족하고 또 상기 식(14), (15)는
n2min ≤ n1·sinθ1 (16)
n2max = n1 (17)
이 된다. 여기에서, 식(5) ∼ 식(7) 및 식(16), (17)에서 n1은 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율을, n2는 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율을 각각 표시한다.
본 발명의 제2 실시 형태로서, 제1 실시 형태의 편향 소자(1)는 특정 편광이 조광가능한 것에 대해, 편향 소자(1)과 동일한 구성으로, 무편광 광을 조광가능하게 한 편광 소자(1a)를 실현할 수 있다. 즉, 편향 소자(1)의 가변 굴절율 물질층(7)을 사이에 끼우는 배향막(6, 8)을 스핀코팅법으로 작성한 나이론(6, 6)으로 실현되는 수지막을 180℃에서 소성함으로써 구정화(球晶化)시켜 작성한다. 이 구정화를 갖는 배향막에 의해, 액정 분자의 배향은 축 대칭성을 갖게 된다. 또, 이 구정을 작게 함으로써, 광학적인 외관상에서, 등방성을 갖는 2차원적으로 랜덤(불규칙적)하게 액정 분자를 배향시킬 수 있다. 랜덤 배향시의 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율은
nave = ((ne2+ no2)/2)0.5
로 산출할 수 있다. 이와 같은 배향막을 이용함으로써, 무편광 광이 입사한 경우에도 제1 실시 형태에서 설명한 것과 마찬가지로 스위칭을 행할 수 있다.
또, 제2 실시 형태에서의 가변 굴절율 물질층(7)은 이상 광 굴절율 ne = 1.6826, 정상 광 굴절율 no = 1.533의 액정으로 실현되고, 등방 굴절율 물질층(5)은 굴절율이 1.55의 폴리비닐알콜로 실현했다. 또, 상기 입사각 θ1 = 70°로, 경사각 δ = 35°로, 각 α = 70°로 각각 설정했다.
제16도는 편향 소자(1a)로부터의 출사광의 광 강도를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 광원(32)으로부터의 광(35)은 편향 소자(1a)의 프리즘(12)의 광 입사측의 제2표면(12b)으로부터 입사각 θ1로 입사한다. 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광(온 상태 광 : 36)은 프리즘(12)의 광 출사측의 제2표면(12b)으로부터 출사하고, 수광 수단인 검출기(33)에서 그 광 강도가 검출된다. 광 반사 전극(4)에서 반사하여 출사하는 광(오프 상태 광 : 37)은 프리즘(12)의 광 출사측의 제3표면(12c)으로부터 출사하고, 검출기(34)에서 그 광 강도가 검출된다.
제17도는 인가 전압과 편향 소자(1a)로부터의 출사광(36, 37)의 광 강도와의 관계를 도시하는 그래프이다. 인가 전압의 상승에 따라 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율 n1을 변화한다. 곡선 L17은 상기 온 상태 광(36)의 광 강도를, 곡선 L18은 상기 오프 상태 광(37)의 광 강도를 각각 표시한다. 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율 n1과 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율 n2가 n2 〈 n1(nave) 〈 n2/sinθc의 범위가 되는 인가 전압의 범위가 표시가능 영역 B1이다. 그래프중 점 c에서는 굴절율 n1,n2가 동일하게 된다. 또 상기 표시 가능 영역 B1의 하한이 되는 전압 이하의 범위는 온 상태광(36)만이 얻어지는 전반사 영역 B2이다. 본 형태에서는 nave의 변화 범위는 1.55 ∼ 1.65이다.
제2 실시 형태에 의하면, 무편광 광의 입사광은 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광과 상기 계면을 투과하며 광 반사 전극(4)에서 반사하여 상기 출사광과는 다른 방향으로 출사하는 광으로 분할된다. 이와 같은 편향 소자(1a)는 광 스위치로서 충분한 온/오프 비가 얻어진다.
본 형태에서는 경사 수단(3)측에 등방 굴절율 물질층(5)을 배치하고, 프리즘(12)측에 가변 굴절율 물질층(7)을 배치하며, 광학적으로 등방성을 갖는 액정 재료에 의해 가변 굴절율 물질층(7)을 구성했다. 따라서, 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율 n2, 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율 n1, 해당 물질층(7)의 최대 굴절율 n1max, 최소 굴절율 n1min로는 상기 식(8) ∼ 식(10)의 관계를 만족한다. 또, 상기 식(14), (15)의 관계를 만족한다.
또, 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)이 반대이어도 상관없다. 단, 이 경우, 각 굴절율 n1, n2, n1max, n1min은 상기 식(11)∼(13)의 관계를 만족한다. 또, 상기 식(16), (17)의 관계를 만족한다.
제18도는 본 발명의 제3 실시 형태인 편향 소자(41)의 구성을 도시하는 사시도이다. 제3 실시 형태의 편향 소자(41)는 제1 실시 형태의 광 반사 전극(4) 및 투명 전극(9) 대신에 광 반사층(42) 및 투명 전극(43, 44)이 형성되는 이외는 제1 실시 형태의 편향 소자(1)와 거의 마찬가지로 해서 구성된다. 따라서, 마찬가지로 이용되는 부재에는 동일 참조 부호를 붙여 도시하고, 다른 부분에 대해서만 설명한다. 편향소자(41)는 가변 굴절율 물질층(7)에 전압을 인가하는 전극 구조를 매트릭스 형상으로 한 것이다. 본 실시 형태에서는 2×2 매트릭스 형상으로 한 경우에 대해 설명한다. 투명 전극(43, 44)이 한쌍의 에너지 전달 수단이다.
광 반사층(42)은 상기 편향 소자(1)의 광 반사 전극(4) 대신에, 경사 수단(3)의 표면을 덮어 설치된다. 광 반사층(42)은 전극으로서는 기능하지 않고, 굴절율 물질층(5, 7)의 계면을 통과한 광을 반사하는 기능만을 갖는다.
투명 전극(43, 44)은, 예를 들면 상기 투명 전극(9)과 동일한 ITO로 실현되고, 투명 전극(43)은 등방 굴절율 물질층(5) 상에 서로 평행하게 간극을 두고 띠 형상으로 형성된다. 또, 단자 부분을 제거하여 배향막(6)이 형성된다. 투명 전극(44)은 투과성 기판(10) 상에 서로 평행하게 간격을 두고 띠 형상으로 형성된다. 또, 단자 부분을 제거하여 배향막(8)이 형성된다. 투명 전극(43, 44)은, 예를 들면 스퍼터링법으로 작성한 ITO막을 포토리소그래픽법으로 상기 띠 형상으로 가공하여 작성된다.
기판 부재(13, 14)는 배향막(6, 8)의 배향 처리 방향이 반평행 또는 평행이 되도록, 또한 띠 형상의 투명 전극(43, 44)이 서로 직교하도록 해서 대향 배치된다.
편향 소자(41)는 단순 매트릭스 구동을 채용하고 있기 때문에, 구동 전압 비 Von/Voff비(듀티비)는
Von/Voff = (N0.5+ 1/N0.5- 1)0.5(18)
으로 구해진다. N은 듀티 수(1/N ; 듀티비)이고, 통상 주사선 수와 동일하게 선별된다.
가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율 n1과 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율 n2가 n2 〈 n1 〈 n2/sinθc의 범위에 있는 것이 바람직하고, 편향소자 (41)에서는 n2 = 1.6, θc = 70°이기 때문에, n1은 1.6∼1.71의 범위에서 변화하지 않으면 안된다. 편향 소자(41)의 가변 굴절율 물질층(7)을 구성하는 액정의 이상 광 굴절율 ne가 상기 범위 내에서 변화하기 위해서는 1 V(임계값 전압)∼2.4 V의 인가 전압이 필요하게 된다. 이 정도의 Von/Voff 비가 얻어지는 주사선 수는 상기 식(18)에서 2개임을 알 수 있다. 1개의 띠 형상 전극에 1∼수백개의 경사 수단(3)이 대응하도록 구성할 수 있다. 이 경사 수단(3)의 대응하는 수는 경사 수단(3)의 각도와 높이에 의해 결정된다.
이상과 같이 제3 실시 형태에 의하면, 편향 소자(41)에 의해 단순 매트릭스 구동을 실현할 수 있다. 또, 제2 실시 형태의 편향 소자(1a)를 제3 실시 형태의 편향 소자(41)와 같이 구성하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제19도는 본 발명의 제4 실시 형태인 편향 소자(51)의 구성을 도시하는 단면도이다. 편향 소자(51)는 TFT 소자(52)를 이용한 액티브 매트릭스 구동 방식의 소자이고, TFT 소자(52)를 갖는 것 이외는 상기 편향 소자(1)와 거의 동일하게 하여 구성된다.
단순 매트릭스 구동 방식에서는 주사선 수의 증대에 따라 인가 전압의 Von/Voff 비가 감소하기 때문에, 고정세화가 곤란하고, 또한 계조 표시를 행할 때에, 각 계조 사이의 전압 차가 근사한 차가 되어, 전기적 잡음 등의 영향이 심각한 문제가 된다. 본 형태의 편향 소자(51)는 광 반사 전극(4)과 투명 전극(9)이 서로 대향하는 각 화소에 대응하여 스위칭 소자인 TFT 소자(52)를 형성함으로써, 상술한 문제를 해소하고, 구동 전압 비가 상기 식(18)에 지배되지 않도록 하고 있다. 이하, TFT 소자(52)의 작성 방법에 대해 설명한다.
제20도는 TFT 소자(52)의 제조 방법을 도시하는 공정도이다. 공정 S1에서는 게이트 버스 배선 및 게이트 전극(53)이 형성된다. TFT 소자(52)는 광 반사측의 절연성 기판(2)상에 형성된다. 먼저, 해당 절연성 기판(2)상에 스퍼터링법에 의해 300nm의 두께의 Ta 금속층을 형성한다. 해당 Ta 금속층을 포토리소그래픽법 및 에칭법에 의해 패턴 형성하고, 게이트 버스 배선 및 게이트 전극(53)을 작성한다.
공정 S2에서는 게이트 절연막(54)이 형성된다. 예를 들면, 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 400nm의 두께의 SiNx를 상기 게이트 버스 배선 및 게이트 전극(53)을 덮어 절연성 기판(2)상에 형성함으로써 작성된다.
공정 S3에서는 콘택트층(56) 및 반도체층(55)이 형성된다. 먼저, 상기 게이트 절연막(54)상에 반도체층(55)으로 이루어지는 100nm의 두께의 a-Si층과, 콘택트층(56)으로 이루어지는 40nm의 두께의 n+형 a-Si층을 그 순번으로 연속적으로 형성한다. 다음에, 상기 2개의 층을 동시에 패턴 형성함으로써 콘택트층(56)과 반도체층(55)이 형성된다.
공정 S4에서는 소스 전극(57), 드레인 전극(58) 및 소스 버스 배선이 형성된다. 먼저, 콘택트층(56) 및 반도체층(55)이 형성된 기판상에 200 nm의 두께의 Mo 금속층을 스퍼터링법에 의해 형성하고, 해당 Mo 금속층을 패턴 형성함으로써 소스 전극(57), 드레인 전극(58) 및 소스 버스 배선이 형성된다. 상기 드레인 전극(58)에는 도체층(59)이 접속된다. 이와 같이 해서 TFT 소자(52)를 완성한다.
TFT 소자(52)가 형성된 기판 상에는 절연 부재로 이루어지는 경사 수단(3)이 제1 실시 형태와 마찬가지의 방법으로 형성된다. 경사 수단(3)에는 상기 TFT 소자(52)의 드레인 전극(58)으로부터 연장하는 도체층(59)의 부분에 포토리소그래픽법에 의해 형성된 콘택트 홀(3a)을 갖는다.
또, 경사 수단(3)을 덮어 광 반사 전극(4)이 형성된다. 광 반사 전극(4)은 스퍼터링법에 의해 알루미늄을 형성하여 작성된다.
이상과 같이 제4 실시 형태에 의하면, 편향 소자(51)에 의해 액티브 매트릭스 구동을 실현할 수 있다. 또, 제2 실시 형태의 편향소자(1a)를 제4 실시 형태의 편향 소자(51)와 같이 구성하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 또, 편향 소자(51)는 반사형이기 때문에, TFT 소자(52)를 형성하는 절연성 기판(2)으로서 실리콘 기판을 이용하고, 소형화 및 고정세화를 도모해도 상관없다. 또, 본 형태에서는 스위칭 소자로서 TFT 소자(52)를 이용하는 예에 대해 설명했지만, 2단자 소자의 비선형 특성을 이용한 MIM(Metal-Insulator-Metal) 소자 및 배리스터 등을 이용해도 상관 없다.
제21도는 본 발명의 제5 실시 형태인 투사형 표시 장치(61)의 구성을 도시하는 도면이다. 투사형 표시 장치(61)는 상기 편향 소자(1), 편광판(62), 광원(63) 및 투영렌즈(64)를 포함하여 구성된다.
광원(63)으로부터의 광(65)은 편광판(62)을 통해 편광(65a)로서 편향 소자(1)의 프리즘(12)의 광 입사측 제2표면(12b)으로부터 입사각 θ1으로 입사하다. 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광(온 상태 광 : 66)은 프리즘(12)의 광출사측 제2표면(12b)로부터 출사하고, 수광 수단인 투영 렌지(64)를 통해 투영된다. 이 경우, 광 반사 전극(4)에서 반사하여 출사하는 광(오프 상태 광)은 표시에는 사용되지 않는다.
이상과 같이 제5 상태에 의하면, 편향 소자(1)을 라이트 벌브로서 이용하여 투사형 표시 장치(61)를 실현할 수 있다. 또, 상기 온 상태 광(66) 대신에, 오프 상태 광을 표시에 이용해도 상관없다. 또, 제3 또는 제4 실시 형태와 같이 구성된 편향 소자(1)를 이용하여 투사형 표시 장치(61)를 구성하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제22도는 본 발명이 제6 실시 형태인 투사형 표시 장치(71)의 구성을 도시하는 도면이다. 투사형 표시 장치(71)는 상기 편향 소자(1), 편광 빔 스플릿터(72), 반사판(73, 74, 76, 78), 위상차판(75, 77), 광원(63) 및 투영 렌지(64)를 포함하여 구성된다. 광원(63)으로부터의 광(65)은 편광 빔 스플릿터(72)에서 P 편광(65b)와 S 편광(65c)으로 나누어진다. P 편광(65b)은 반사판(73, 74)에서 반사되어, 프리즘(12)의 광입사측의 한쪽의 제2표면(12b)에서 입사각 θ1로 입사한다. S 편광(65c)은 위상차판(75)을 통과하여 반사판(76)에서 반사하고, 위상차판(77)을 통과함으로써, P 편광이 되어, 프리즘(12)의 광 입사측의 상기 한쪽의 제2표면과는 다른 다른쪽의 제2표면(12b)에서 입사각 θ1로 입사한다. 광 반사 전극(4)에서 반사하여 출사하는 광(오프 상태 광 : 66)은 프리즘(12)의 광 출사측의 제3표면(12c)으로부터 출사하고, 수광 수단인 투영 렌즈(64)를 투영된다. 이 경우, 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광(온 상태 광)은 표시에는 사용되지 않는다.
이상과 같이, 제6 실시 형태에 의하면, 편향 소자(1)를 이용하여 투사형 표시 장치(71)를 구성하는 것이 가능하다. 상기 투사형 표시 장치(61)에서는 편광판(62)에 의해 광의 이용 효율이 원리적으로 50%가 되는 것에 비해, 해당 투사형 표시 장치(71)는 무편광 광을 일단 편광 빔 스플릿터(72)에서 P 편광 및 S 편광으로 분할하고, S 편광을 다시 P 편광으로 변환하여, P 편광을 편향 소자(1)에 입사시키기 때문에, 원리적으로 100%의 광을 이용할 수 있어, 광원 광의 이용 효율이 매우 높고, 또한 출사광의 콘트라스트 비가 높은 투사형 표시 장치(71)를 실현할 수 있다.
또, 상기 오프 상태 광(66) 대신에 온 상태 광을 표시에 이용해도 상관없다. 또, 제3 또는 제4 실시 형태와 같이 구성된 편향 소자(1)를 이용하여 투사형 표시 장치(71)를 구성하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제23도는 본 발명의 제7 실시 형태인 투사형 표시 장치(81)의 구성을 도시하는 도면이다. 투사형 표시 장치(81)는 상기 편향 소자(1a), 광원(63) 및 촬영 렌즈(64)를 포함하여 구성된다. 광원(63)으로부터의 광(65)은 편향 소자(1a)의 프리즘(12)의 광 입사측의 제2표면(12b)에서 입사각 θ1로 입사한다. 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광(온 상태 광 : 66)은 프리즘(12)의 광 출사측의 제2표면(12b)으로부터 출사하고, 수광 수단인 투영 렌즈(64)를 투영된다. 이 경우, 광반사 전극(4)에서 반사하여 출사하는 광(오프 상태 광)은 표시에는 사용되지 않는다.
이상과 같이, 제7 실시 형태에 의하면, 입사광에 무편광 광을 이용하는 편향 소자(1a)을 이용하여, 투사형 표시 장치(81)를 실현하는 것이 가능하다. 또, 상기 온 상태 광(66) 대신에 오프 상태 광을 표시에 이용해도 상관없다. 또, 제3 또는 제4 실시 형태와 같이 구성된 편향 소자(1a)를 이용하여 투사형 표시 장치(81)를 구성하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제24도는 본 발명의 제8 실시 형태인 투사형 표시 장치(91)의 구성을 도시하는 도면이다. 투사형 표시 장치(91)는 상기 편향 소자(1a), 광원(63a, 63b) 및 투영 렌즈(64)를 포함하여 구성된다. 광원(63a, 63b)으로부터의 광(65)은 프리즘(12)의 광 입사측의 한쪽 및 다른 쪽의 제2표면(12b)에서 입사각 θ1로 각각 입사한다. 광 반사 전극(4)에서 반사하여 출사하는 광(오프 상태 광 : 66)은 프리즘(12)의 광 출사측의 제3표면(12c)으로부터 출사하고, 수광 수단인 투영 렌즈(64)를 통해 투영된다. 이 경우, 굴절율 물질층(5, 7)의 계면에서 반사하여 출사하는 광(온 상태 광)은 표시에는 사용되지 않는다.
이상과 같이, 제8 실시 형태에 의하면, 입사광에 무편광 광을 이용하는 편향 소자(1a)을 이용하고, 2개의 광원(63a, 63b)을 이용하여 투사형 표시 장치(91)를 실현하는 것이 가능하다. 또, 상기 오프 상태 광(66) 대신에 온 상태 광을 표시에 이용해도 상관없다. 또, 제3 또는 제4 형태와 같이 구성된 편향 소자(1a)를 이용하여 투사형 표시 장치(91)를 구성하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
제25(a)도∼제25(d)도는 본 발명에 기초한 편향 소자의 구성을 크게 나누어 도시하는 도면이다. 제25(a)도에 도시되는 제1 형태에서 설명한 바와 같이 광 반사 전극(4)과 투명 전극(9)으로 한쌍의 에너지 전달 수단을 구성할 수 있다. 이 경우, 광 반사층(4)이 에너지 전달 수단을 겸할 수 있기 때문에, 편향 소자의 구성이 간단하게 된다. 또, 제25(b)도에 도시되는 제3 형태에서 설명한 바와 같이, 가변 굴절율 물질층(7)만을 개재하도록 해서 한쌍의 에너지 전달 수단을 배치해도 상관없다. 이 경우, 에너지 전달 수단은 직접 가변 굴절율 물질층(7)에 접하고 있기 때문에, 용량 분할되지 않는다. 이 때문에, 저전압 구동이 가능하게 된다. 또, 제25(c)도에 도시되는 바와 같이, 경사 수단(3)의 굴절율 물질층(5, 7)과는 반대측에 투명 전극(43)을 한쪽 에너지 전달 수단으로서 배치해도 좋다. 또 이 경우, 제25(d)도에 도시되는 바와 같이 광 반사층(42)과 투명 전극(43)을 경사 수단(3)의 콘택트 홀(3a)호 전기적으로 접속해도 상관없다. 이와 같은 접속은 제4 형태에서 설명한 바와 같은 스위칭 소자를 갖는 액티브 매트릭스 구동 방식을 채용할 때에 실시된다.
제26도는 본 발명의 제9 실시 형태인 편향 소자(131)의 구성을 도시하는 단면도이다. 본 실시 형태의 편향 소자(131)는 제1 실시 형태의 편향 소자(1)와 유사한 구성을 갖고, 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 설명은 생략한다.
본 실시 형태의 편향 소자(131)에서는 광 반사 전극(4)과 투과성 기판(10) 사이에, 복수(본 형태에서는 2)의 등방 굴절율 물질층(5,135) 및 복수(본 형태에서는 2)의 가변 굴절율 물질층(7,137)이 개재된다. 본 형태에서는 등방 굴절율 물질층 및 가변 굴절율 물질층을 동일 수만큼 번갈아 배치하고 있다. 이들 가변 굴절율 물질층(7,137)은, 예를 들면 동일 재질의 액정으로 실현된다. 이들 가변 굴절율 물질층(7,137을 개재하여, 배향막(141, 142; 143,144)이 각각 형성된다.
배향막(141,142)의 배향 처리 방법은, 각각 평행 또한 반대 방향이 되도록 선별된다. 배향막(143,144)의 배향 처리 방법은, 각각 평행 또한 반대 방향이 되도록 선별된다. 또, 배향막(141,143)의 배향 처리 방법은, 각각 평행 또한 반대 방향이 되도록 선별된다. 또, 배향막(141,143)의 배향 처리 방법은 이 배향막에 의해 규정되는 물질층(7,137)의 액정 분자의 장축 방향이 직교하도록 선별된다. 가변 굴절율 물질층(7,137)을 구성하는 액정 분자의 장축 방향과 평행한 편광축 방향은 서로 직교하도록 선별된다. 복수의 가변 굴절율 물질층을 설치한 경우에는 적어도 2개의 가변 굴절율 물질층의 편광측이 서로 직교하도록 선별된다.
또 본 형태에서는 등방 굴절율 물질층과 가변 굴절율 물질층을 동일 수만큼 설치하고, 번갈아 배치하는 예에 대해 설명한다. 등방 굴절율 물질층과 가변 굴절율 물질층과는 동일 수로 한정하는 것은 아니고, 또 번갈아 배치하는 것에도 한정되지 않는다. 예를 들면, 다른 굴절율의 등방 굴절율 물질층을 겹쳐 재치하고, 등방굴절율 물질층과 가변 굴절율 물질층과의 수를 달리 하여, 번갈아 배치하지 않도록 해도 상관없다. 다른 굴절율의 등방 굴절율 물질층을 이와 같이 해서 배치함으로써 보다 미세한 굴절율의 조정이 가능하게 된다. 또, 본 형태와 같이 2개의 가변 굴절율 물질층 사이에 등방굴절율 물질층을 배치하고, 등방굴절율 물질층의 재료를 선별함으로써 2개의 가변 굴절율 물질층의 밀착성을 향상시키는 것도 가능하다.
본 실시 형태의 편향 소자(131)에서의 광의 행동을 제1 실시 형태의 편향 소자(1)에서의 광의 행동과 병합하여 이하에 설명한다.
제27(a)도, 제27(b)도는 편향 소자(1)에서의 광의 행동을 설명하기 위한 모식도이다. 편향 소자(1)의 가변 굴절율 물질층(7)은 광 반사 전극(4) 및 투명 전극(9) 사이에 인가되는 인가 전압의 값에 따라 굴절율 n1이 변화한다. 굴절율 n1은, 예를 들면 인가 전압이 커지는 만큼 작아지고, 미리 정하는 인가 전압 미만의 전압을 인가하면 굴절율 물질층(5, 7)의 경계면(192)에서 전반사가 발생한다. 액정 분자는 굴절율 이방성을 갖기 때문에, 편향 소자의 가변 굴절율 물질층(7)으로서 사용할 수 있지만, 입사광중 굴절율 물질층(7)의 굴절율 변화의 영향이 미치는 광은 액정 분자의 장축 방향과 평행해게 진동하는 편광광에 한정된다. 1축의 편광축을 갖는 가변 굴절율 물질층과 다른 방향으로 편광 하는 복수의 편광 광을 포함하는 자연광 및 무편광 광은 평행 성분 및 직교 성분의 2 성분으로 분리된다고 생각된다. 평행 성분은 액정분자의 장축 방향, 즉 굴절율 물질층(7)의 편광측에 평행한 방향으로 진동하는 광이다. 직교 성분은 굴절율 물질층(7)의 편광축에 직교하는 방향으로 진동하는 광이다. 제27(a)도, 제27(b)도에서는 굴절율 물질층(7)의 편광축은 지면에 직교하는 방향과 평행하고, 그 방향을 부호(141)으로 표시한다.
자연광 또는 무편광 광인 입사광(191)을 편향 소자(1)에 입사하는 것을 고안한다. 전극(4, 9)사이에 미리 정한 인가 전압 미만의 전압이 인가되고 있을 때, 제27(a)도에 도시하는 바와 같이, 경계면(192)에서는 입사광(191)의 평행 성분(146)만이 반사되고, 직교 성분(147)은 투과된다. 부호(148, 149)는 입사광(191)의 평행 성분(146)만이 반사되고, 직교 성분(147)의 편광 방향을 표시한다. 전극(4, 9)사이에 미리 정한 인가 전압이상의 전압이 인가되고 있을 때, 제27(b)도에 도시하는 바와 같이 입사광(191)의 평행 및 직교 성분(146, 147)은 함께 경계면(192)을 투과한다. 이와 같이, 제1 실시 형태의 편향 소자(1)에서는 입사광(191)의 직교 성분(147)을 조광할 수 없다.
그러므로, 편향 소자(1)을 이용할 때에는 제28(a)도, 제28(b)도에 도시하는 바와 같이, 입사광(191)이 편향 소자(1)에 입사하기 전에, 편광축이 평행 성분(146)의 편광축과 평행한 편광판(151)을 투과시킨다. 이것에 의해, 전극(4, 9)사이의 전압이 미리 정한인가 전압 미만일 때, 제28(a)도에 도시하는 바와 같이 입사된 광은 모두 경계면(192)에서 반사한다. 또, 전극(4, 9)사이의 전압이 미리 정한 인가 전압 이상일 때, 제28(b)도에 도시하는 바와 같이 입사된 광은 모두 경계면(192)을 투과한다.
제29도는 전극(4, 9)사이의 인가 전압과 편향 소자(1)로부터 출사되는 온 상태 광 및 오프 상태 광의 관계를 도시하는 그래프이다. 이 온 상태 광 및 오프 상태 광의 광 강도는 제14도에서 도시하는 검출 방법으로 측정되었다. 곡선 L15a는 온 상태 광의 광 강도를 도시한다. 곡선 L16a는 오프 상태 광의 광 강도를 도시한다. 편향 소자(1)에서는 광원(32)으로부터 출사되는 광원 광 중 평행 성분만을 조광한다. 그러므로, 온 상태 광의 최대 강도는 광원 광의 광 강도를 1이라 하면, 0.5가 된다. 즉, 제1 실시 형태의 편향 소자(1)에서는 광원 광의 이용 효율이 (1/2)로 된다.
제30(a)도, 제30(b)도는 편향 소자(131)에서의 광의 행동을 설명하기 위한 모식도이다. 편향 소자(131)의 가변 굴절율 물질층(7, 137)은 제1 실시 형태의 편향 소자(1)와 동일 재료로 구성된다. 그러므로, 이들 굴절율(7,137)의 굴절율 nla, nlb는, 예를 들면 광 반사 전극(4) 및 투명 전극(9) 사이에 인가되는 인가 전압이 커지는 만큼 작아지는 것이다. 전극(4, 9)사이에 미리 정한 인가 전압 미만의 전압을 인가하면 굴절율 물질층(5, 7)의 경계면(192) 및 굴절율 물질층(135,137)의 경계면(158)에서 전반사가 발생한다. 또 각 가변 굴절율 물질층(7, 137)의 편광축은 직교하고 있으며, 그 방향을 부호(155, 156)로 표시한다.
입사광(191)을 편향 소자(131)에 입사하는 것을 생각한다. 전극(4, 9) 사이에 미리 정한 인가 전압 미만의 전압이 인가되고 있을 때, 제30(a)도에 도시하는 바와 같이, 입사광(191)의 평행 성분(146)은 굴절율 물질층(135, 137)의 경계면(158)로 반사된다. 직교 성분(147)은 경계면(158)을 투과한 후, 굴절율 물질층(5, 7)의 경계면(192)에서 반사된다. 전극(4, 9)사이에 미리 정한 인가 전압 이상의 전압이 인가되고 있을 때, 제30(b)도에 도시하는 바와 같이, 입사광(191)의 평행 및 직교(146, 147)은 함께 경계면(158, 192)을 투과한다. 이와 같이, 본 실시 형태의 편향 소자(131)에서는 입사광(191)의 수평 성분(146) 및 직교 성분(147)을 함께 조광할 수 있다.
이 편향 소자(131)의 광학특성을 전술한 제16도의 검출 방법을 이용하여 측정했다. 이 결과를 전술한 제29도의 그래프에 함께 표시한다. 곡선 L21은 온 상태 광의 광 강도를 표시한다. 곡선 L22는 오프 상태 광의 광 강도를 표시한다. 편향 소자(131)에서는 광원(32)로부터 출사되는 광원 광을 전부 조광한다. 그러므로, 온 상태 광의 최대 강도는 광원 광 강도와 동일하게 1.0이다. 이와 같이 제1 실시형태의 편향 소자(1)와 비교하여 본 실시 형태의 편향 소자(131)의 광원 광의 이용효율은 향상하고 있다.
상술한 바와 같이, 입사광(191)은 최초에 입사되는 가변 굴절율 물질층(137)의 편광축의 방향에 따라 그 평행 성분(146) 및 직교 성분(147)의 2성분으로 분리된다. 그러므로, 기판(2, 10) 사이에 겹쳐 구성되는 복수의 가변 굴절율 물질층의 편광축은 적어도 2개의 가변 굴절율 물질층에서 직교하고 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 편광축이 선별되면, 입사 광의 이용 효과를 거의 100%로 할 수 있다.
제31(a)도∼제31(e)도 및 제32(a)도∼제32(d)도는 본 실시 형태의 편향 소자(131)의 제조 공정을 단계적으로 도시하는 단면도이다. 편향 소자(131)는 편향 소자(1)의 제조 공정과 유사한 공정으로 제조된다.
먼저, 편향 소자(131)의 다른 쪽 기판 부재(14a) 및 가변 굴절율 물질층(137)을 포함하는 제1기판 부재의 제조 방법을 설명한다. 먼저, 제31(a)도에 도시하는 바와같이, 대향 기판(137)의 한쪽 표면에 박리재를 도포하여 박리재막(172)을 형성한다. 대항 기관(171)로서, 예를 들면 두께 0.2㎜의 연마 기판이 이용된다. 박리재로서, 예를 들면 구초자사제의 상품명 사이톱인 불소계 재료가 이용된다. 다음에, 제31(b)도에 도시하는 바와 같이, 이 박리재막(172)상에 고분자 재료를 도포하여, 막 두께가 거의 균일한 박막(173)을 형성한다. 고분자 재료로서는, 예를 들면 광중합성 재료인 트리메틸롤 프로팬드 아크릴레이트와 이소보닐 아크릴레이트를 중합비 2 : 17로 혼합한 혼합 재료가 이용된다. 이 고분자 재료의 박막(173)에, 자외선(174)를 조사한다. 이것에 의해, 고분자 재료층인 등방 굴절율 물질층(135)이 형성된다.
투과성 기판(10)의 한쪽 표면(10a)에는 투명 전극(9)이 형성된다. 이 투명 전극(9)과 등방 굴절율 물질층(135)과의 각 한쪽 표면(9a, 135a)에 각각 배향막(144, 143)이 형성된다, 이 상태를 제31(c)도에 도시한다. 이들 배향막 (144, 143)은 먼저 오프셋 인쇄법을 이용하여 상기 한쪽 표면에 막 두께 약 1000Å의 박막을 성막하고, 다음에, 박막을 180。의 온도로 1시간 소성한 후에, 예를 들면 러빙법인 배향 처리를 실시하여 형성된다. 배향처리는, 예를 들면 롤러(175)를 화살표(176) 방향으로 회전시키면서, 박막에 접촉시켜 행해진다. 박막의 재료로서는, 예를 들면 일산화학사제의 상품명 RN - 1024가 이용된다.
계속해서, 배향막(144, 143)이 형성된 투과성 기판(10) 및 등방 굴절율 물질층(!35)을 그 한쪽 표면끼리가 대향하도록, 사이에 플라스틱 스페이서를 통해 중합한다. 스페이서의 입경은, 예를 들면 5㎛이다. 이 상태에서, 투과성 기관(10) 및 등방 굴절율 물질층(135)을 접착층(177)을 통해 접착한다. 이것에 의해 배향막(144, 143)사이에 스페이서의 입경과 동일 폭의 간극이 거의 균일하게 형성된 셀이 형성된다.
이 셀의 간극에, 액정 재료의 고분자 재료와의 혼합 재료를, 액정 재료(178)를 등방상으로 상 전이시키면서 도입한다. 이 상태를 제31(d)도에 도시한다. 액정 재료로서는 메르크사제의 상품명ZⅡ-4792가 이용된다. 고분자 재료로서는, 예를 들면 혼합 재료가 이용된다. 액정 재료와 고분자 재료와는, 예를 들면 0.17g의 ZⅡ-4792에 대해 0.02g의 트리메칠롤 프로팬드 아크릴레이트, 및 0.17g의 이소보닐 아크릴레이트가 혼합된다. 혼합 재료의 도입 방법으로서는 진공 탈기법이 이용된다.
혼합 재료가 도입되면, 이셀에 대해 투과성 기판(10)측으로부터 제33도에 도시하는 포토마스크(179)를 통해 자외선(174)아 조사된다. 포토마스크(179)에는 복수의창(181)이 형성된다. 창(181)은 직교하는 2방향으로 각각 평행하게 미리 정하는 간격을 비워 행렬 형상으로 배치된다. 자외선(174)은 창(181)을 통해 셀에 입사되어, 액정 재료와 고분자 재료를 상 분리시킨다. 이것에 의해, 창(181)에 대응하는 부분에서 혼합 재료내의 고분자 재료가 경화하고, 셀의 간극내에 행렬 현상으로 배치되는 고분자 기둥(183)이 형성된다. 고분자 기둥(183)이 형성되지 않은 부분은 액정재료가 충전된 액정 영역이 된다. 이것에 의해, 액정층인 가변 굴절율 물질층(137)이 형성된다. 가변 굴절율 물질층(137)이 형성되면, 대향 기판(171) 및 박리층(172)을 등방 굴절율 물질층(135)으로부터 제거한다. 이상의 공정을 구별하여, 제31(e)도에 도시하는 제1기판 부재가 형성된다.
계속해서, 절연성 기판(2)의 한쪽 표면(2a)상에 제5도 및 제6도에서 설명한 금형을 이용하여, 경사 수단(3)이 형성된다. 이 경사 수단(3)의 삼각 기둥의 다른쪽 각 δ는 가변 굴절율 물질층(137)으로의 입사광의 입사각 θ1의 절반의 크기(θ/2)이도록 하는 것이 바람직하다. 이 경사 수단(3)의 표면을 덮어 광 반사 전극(4)이 형성된다. 이들 구성 요소는 제1 실시 형태의 편향 소자(1)의 구성 요소와 동일하다. 또, 광 반사 전극(4)상에는 등방 굴절율 물질층(5)이 형성된다. 이 상태를 제32(a)도에 도시한다. 등방 굴절율 물질층(5)은 굴절율이 약 1.5인 고분자 재료로 실현된다. 이 고분자 재료로서는 리치메롤 프로팬드 아크릴레이트와 이소보닐 아크릴레이트를 중합 비 2 : 17로 혼합한 혼합 재료가 이용된다.
다음에, 이 절연성 기판(2)의 등방 굴절율 물질층(5)과, 전술한 제1기판 부재의 등방 굴절율 물질층(135)의 다른 쪽 표면(5b, 135b)에 각각 배향막(141, 142)의 형성 방법은 배향막(143, 144)의 형성 방법과 동일하다. 또한, 배향막(142)의 배향 처리 방향은 배향막(143)의 배향 처리 방법과 거의 직교한다. 이것에 의해, 한쪽 기판 부재(13a)가 형성된다.
계속해서, 제1기판 부재와 한쪽 기판 부재(13a)를 배향막(142, 141)이 형성된면을 대향시키고, 또한 배향막(141, 142)과 배향막(143, 144)의 배향 처리 방법이 직교하도록 대향시켜 중합한다. 이들 기판 부재를 이용하여 전술한 셀의 형성 방법과 마찬가지의 방법으로, 배향막(141, 142)사이에 접착층(183)을 통해 간극을 갖는 셀을 형성한다. 이 셀의 간극에 전술한 액정 재료와 고분자 재료와의 혼합 재료(185)를, 액정 재료를 등방성으로 상 변위시키면서 도입한다. 이 상태를 제32(c)도에 도시한다. 또 포토마스크(179)를 통해 투과성 기판(10)측으로부터 자외선을 조사하여, 혼합 재료(185)내의 고분자 재료를 경화시켜 고분자 기둥(186)을 형성한다. 이것에 의해, 등방 굴절율 물질층(7)이 형성된다.
이상의 제조 공정에 의해, 제32(d)도에 도시하는 액정 셀이 형성된다. 이 액정 셀의 투과성 기판(10)측에 제2도에 도시하는 구성의 프리즘(12)을 부착한다. 이것에 의해, 편향 소자(131)가 형성된다.
본 실시 형태에서, 각 구성 요소의 제조 방법은 소망하는 형상 및 특성의 구성 요소를 형성할 수 있다면, 상술한 방법 이외의 방법을 이용해도 좋다. 예를 들면, 경사 수단(3) 및 광 반사 전극(4)은 제18도에 도시하는 구조를 갖고 있어도 좋다. 이 때, 경사 수단(3)의 각 삼각 기둥의 저변의 각도는 입사광의 입사각 θ1을 절반값(θ1/2)인 것이 바람직하다. 또, 배향막(141~144)의 배향 처리 방법으로서는 편향 소자(1)의 기판(2, 10)사이에 등방 굴절율 물질층(5, 135) 및 가변 굴절율 물질층(7, 137)을 형성한 후에, 프리즘(12)을 접착하고 있지만, 기판(10)대신에 프리즘(12)에 직접 등방 굴절율 물질층 또는 가변 굴절율 물질층을 부착하도록 해도 좋다.
또, 액정 재료 및 고분자 재료는 입사광에 대해 상술한 재료와 동일한 효과를 도시하는 재료이면, 상술한 이외의 재료를 이용해도 좋다. 예를 들면, 액정 재료에는 공학 활성 물질(카이랄재)가 포함되어 있어도 좋다. 고분자 재료는, 광 중합성 재료 이외의 재료, 예를 들면 열 중합성 재료를 이용해도 좋다. 이 때, 고분자 재료의 경화 방법은 그 재료에 따른 방법을 이용한다.
또, 상술한 등방 굴절율 물질층 및 가변 굴절율 물질층은 기관(2, 10)사이에 2개 이상 구성되어도 좋다. 이 때, 등방 굴절율 물질층(135) 및 가변 굴절율 물질층(137)과 마찬가지로, 편향 소자(131)의 구성 요소 이외의 기판상에 각 물질층을 형성하고, 그 후에 물질층을 그 기판으로부터 박리하여 형성하고, 이와 같이 형성된 각 물질층을 적층하여 편향 소자를 형성하도록 해도 좋다. 또, 각 물질층을 등방 굴절율 물질층(5) 및 가변 굴절율 물질층(7)과 마찬가지의 방법을 반복하여 순차적으로 적층하여 형성하도록 해도 좋다. 또, 각 가변 굴절율 물질층에는 고분자 기둥을 형성하지 않은 구성으로 해도 좋다.
다음에, 본 발명의 제10 실시 형태를 설명한다. 본 형태는 제1 형태의 가변 굴절율 물질층(7)에 네마틱 액정 대신에, SmC의 나선이 해소된 표면 안정화 강유전성 액정(SSF-LC : Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal)이 도입되는 것 이외에는 제1 형태와 거의 마찬가지로 구성된다.
표면 안정화 강유전성 액정을 도입함으로써, 기판 부재(13, 14) 사이에 배치되는 스페이서가 제1 실시 형태에서는 입자 직경이 10㎛인 글라스 비즈로 실현되는 것에 대해, 제10 실시 형태에서는 입자 직경이 2㎛인 글라스 비즈에 의해 실현된다. 기판 부재(13, 14) 사이에는, 예를 들면 메르크사제, 상품명 「ZLI-4237」, 상 전이 계열 I → Ch → SA → SC, 콘 각 50˚, Δn0.13의 액정을 80˚C 아래(I상)에서 진공 탈기에 의해 도입하여 도입구를 밀봉하고, 일단 90˚C까지 가열한 후에 서서히 냉각함으로써, 가변 굴절율 물질층(7)이 형성된다.
제34도는 가변 굴절율 물질층(7)의 액정 분자의 배향이 한쪽 기판 부재(13) 및 다른 기관 부재(14)사이에 인가되는 전압에 따라 변화하는 형태를 도시하는 모식도이다. 또, 같은 도면에서 도시하는 화살표 D는 한쪽 기판 부재(13)의 배향막(6) 및 다른쪽 기판 부재(14)의 배향막(8)의 배향 처리의 방향을 도시하고 있다.
같은 도면에 도시하는 바와 같이, SSF-LC 모드에서 액정 분자의 배향은 인가되는 전계의 방향과 액정 분자의 다이폴이 역 방향이 되도록 2개의 안정 상태 SA 및 SB 사이에서 전환된다. 또, 안정 상태 SA 및 SB 이외의 상태에서는, 액정 분자가 안정적으로 배향되지 않는다.
이하, 제35(a)도~제35(c)도 및 제7도를 참조하면서 상기의 액정 셀을 동작 원리에 대해 설명한다. 제7도의 기본적인 동작 원리는 제1 실시 형태에 상술한 바와 같다. 또, 실제로는 제1 층인 가변 굴절율 물질층(7)과 제2 층인 등방 굴절율 물질층(5)사이에는 배향막(6)이 개재되어 있기 때문에, 계면에서의 광의 반사 또는 투과시에는 이 배향막(6)에서 굴절 등의 영향이 고안된다. 그러나, 일반적으로 배향막(6)의 굴절율은 가변 굴절율 물질층(7)의 굴절율과 거의 동일하기 때문에, 해당 배향막(6)에 의한 광의 굴절은 무시할 수 있다고 생각된다.
제35(a)도, 제35(b)도는 가변굴절율 물질층(7)의 액정 분자(186)이 쌍안정 상태의 한쪽인 안정 상태 SA에 있는 경우에, 가변 굴절율 물질층 (7)으로 입사광(188)이 입사하는 형태를 모식적으로 도시한 것이고, 제35(a)도는 가변 굴절율 물질층(7)의 경사 상방에서 본 사시도이며, 제35(b)도는 가변 굴절율 물질층(7)의 법선 방향 상방에서 본 평면도이다. 또, 제3도5C는 액정 분자(186)가 쌍안정 상태의 다른 쪽인 안정 상태 SB에 있는 경우의 입사광(188)의 광로를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
입사광(188)은 도시하지 않은 편광한 등의 편광 소자에 의해 편광된 직선 편광이고, 입사각 θ1로 가변 굴절율 물질층(7)으로 입사한다. 이 입사각 θ1은 입사면에서 가변 굴절율 물질층(7)의 법선(187)과 입사광(188)이 이루는 각이다. 또, 입사광(188)의 진동 방향은 도면 중 화살표(189)로 도시하는 방향이고, 입사광(188)의 진행 방향에 대해 직교하며, 또한 입사면에 포함되어 있다. 가변 굴절율 물질층(7)의 액정 분자(186)의 배향 상태가 제35(a)도, 제35(b)도에 도시하는 안정 상태 SA에 있고, 입사광(188)의 진동 방향(189)과 액정 분자(186)의 장축 방향과 함께 입사면내에 포함된다. 이 때, 입사광(188)은 액정 분자(186)의 굴절율 이방성의 이상 광 성분 ne를 굴절율로 하는 가변 굴절율 물질층(7)을 투과한다.
또, 가변 굴절율 물질층(7)의 액정 분자(186)가 제35(c)도에 도시하는 바와 같이 안정 상태 SB에 있을 때, 입사광(188)은 액정 분자(186)의 굴절율 이방성의 정상 광선 성분 no를 굴절율로 하는 가변 굴절율 물질층(7)을 투과한다. 여기에서, 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율 n1, 등방 굴절율 물질층(5)과 가변굴절율 물질층(7)과의 계면으로 입사한 입사광(188)의 임계각을 θc라 하면, 이들사이에는 이하의 관계가 성립한다. 단, 굴절율 이방성의 이상 광선 성분 ne는 N2에 굴절율 이방성의 정상 광선 성분 no는 N1에, 등방 굴절율 물질층(5)의 굴절율 n1은 N에 각각 대응한다.
ne ≥ n1/sinθc
no = n1
θ1 ≥ θc
즉, 액정 분자(186)가 제35(a)도, 제35(b)도에 도시하는 바와 같이 안정 상태 SA에 있는 경우, 입사광(188)은 굴절율 ne의 가변 굴절율 물질층(7)을 통화하여, 굴절율 n1의 등방 굴절율 물질율(5)으로 입사한다. 이 때, 이 상태는 프레넬식에서의 전반사 조건을 만족하기 때문에, 입사광(188)은 제35(a)도, 제35(b)도에 도시하는 바와 같이, 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)과의 계면에서 전반사한다.
한편, 가변 굴절율 물질층(7)으로 전압을 인가하고, 액정 분자(186)의 배향을 제35(c)도에 도시하는 바와 같은 안정 상태 SB로 변환시키면, 입사광(188)은 굴절율 no의 가변 굴절율 물질층(7)을 투과한 후에 굴절율 n1의 등방 굴절율 물질층(5)으로 입사한다. 이 때, 상기한 바와 같이, n1 = no의 관계가 성립하고 있기 때문에, 입사광(188)은 제35(c)도에 도시하는 바와 같이, 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)과의 계면에서의 작용을 받아들이지 않고 이 계면을 투과한다.
이상과 같이, 가변 굴절율 물질층(7)으로 구동 전압을 인가하여 액정 분자(186)의 배향을 안정 상태 SA및 SB중 어느 것으로 스위치함으로써, 제7도에 도시하는 반사 성분(16) 및 투과 성분(17)중 어느 것만이 출현하게 되고, 입사광(188)을 반사 또는 투과시키도록 변조하는 것이 가능하게 된다.
또, 안정 상태 SA및 SB사이에서는 입사광(188)의 강도를 I, 입사 광의 진동 방향(189)과 액정 분자(186)의 장축이 이루는 각을 ψ라 하면, 제37(b)도에 도시하는 바와 같이, 입사광의 일부인 I·sinψ의 강도의 광이 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)과의 계면에서의 작용을 받아들이지 않고, 굴절율 no의 가변 굴절율 물질층(7)을 투과하여 등방 굴절율 물질층(5)으로 입사한다. 다시 말하면 이 때, 제7도에 도시하는 반사 성분(16)과 투과 성분(17) 양쪽이 출현하게 된다. 따라서, ψ를 선형으로 변화시킬 수 있으면, 계조 표시가 가능하게 되지만, 이것에 대해서는 후술하는 제11 실시 형태에서 설명한다.
또, 액정 분자(186)가 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)과의 계면에 평행한 면내에서 배향 변화를 발생함으로써, 다음과 같은 효과가 얻어진다. 먼저, (a) 액정 분자를 계면에 평행한 면내에서 배향 변화시키는 표시 모드는 일반적으로 넓은 시야각이 얻어지는 모드로서 알려져 있고, 이는 즉 입사광의 넓이에 대해 마진이 넓다라는 것을 표시한다. 또, (b) 배향막에 의한 배향 규제력(언컬링 에너지)는 배향막의 법선 방향으로의 배향 변화에 대한 규제력에 비해 배향막에 평행한 면내에서의 배향 변화에 대한 규제력 쪽이 작기 때문에, 저전압 구동이 가능한다.
편향 소자(1)로부터의 출사광의 광 강도를 검출하는 방법으로서, 제14도에 도시되는 제1 실시 형태와 동일 구조의 측정 장치를 사용한다. 본 형태에서는 가변 굴절율 물질층(7)에 표면 안정화 강유전성 액정을 이용하고 있다.
제36도는 인가 전압과 편향 소자(1)로부터의 출사광(36, 37)의 광 강도와의 관계를 도시하는 그래프이다. L23은 검출기(33)에서 검출되는 온 상태 광의 강도[등방 굴절율 물질층(5) 및 가변 굴절율 물질층(7)의 계면에서의 반사율]을 표시하고, L24는 검출기(34)에서 검출되는 오프 상태 광의 강도[등방 굴절율 물질층(5) 및 가변 굴절율 물질층(7)의 계면에서의 투과율]를 표시한다.
즉, 인가 전압이 1~5V의 범위에서는 편광판(31)을 통해 편광 소자(1)로 입사한 편광의 모두가 반사되어 온 상태 광으로서 검출되고, 인가 전압 5V 부근에서 반사율이 급격하게 감소하고, 인가 전압이 5~10V의 범위에서는 검출기(33)에서 검출되는 온 상태 광은 입사 편광의 20%가 된다. 또, 오프 상태 광에 대해서, 인가 전압이 1~5V의 범위에서는 검출기(34)에서 검출되지 않고, 인가 전압이 5V 부근에서 투과율이 급격하게 증가하고, 인가 전압이 5~10V의 범위에서, 입사하는 편광의 약 80%가 검출기(34)에서 검출된다. 이 때문에, 편향 소자(1)는 온 상태 광 및 오프 상태 광의 양쪽에서 10V보다 낮은 구동 전압에 의해 광 스위치로서 충분한 ON/OFF 비가 얻어짐을 알 수 있다. 다시 말하면, 편향 소자(1)는 저전압 구동에 의해 콘트라스트 비가 높은 변조 광을 얻는 것이 가능하다.
또, 본 형태에서는, 다른쪽 기판 부재(14)와 프리즘(12)을 개별적으로 각각 형성하고, 프리즘(12)이 다른쪽 기판 부내(94)의 투광성 기판(10)을 겸해 구성하는 것도 가능하다. 또, 본 형태에서 사용한 액정의 콘 각은 50˚로 했지만, 약 90˚인 것이 가장 바람직하다. 그 이유를 제37(a)도 내지 제37(c)도를 참조하면서 설명하면, 이하와 같다.
가변 굴절율 물질층(7)의 액정 분자(186)의 배향이 제37(a)도에 도시하는 바와 같이 입사하는 편광의 진동 방향과 평행한 것으로 한다. 즉, 입사 편광의 진행 방향을 도면 중에 도시하는 z축 정 방향으로 하고, 이 편광의 진동 방향을 x축 방향으로 한다. 또, 상기 편광의 광 강도를 I로 표시한다. 이 때의 액정 분자(186)의 상태를 편의상, 초기 상태라 칭한다. 액정 분자(186)는 도면 중의 x-y평면내에서 배향 변화를 발생한다. 이 때, 입사 편광은 굴절율 ne의 가변 굴절율 물질층(7)을 통과하여, 굴절율 n1의 등방 굴절율 물질층(5)에 입사한다.
이 때, 굴절율 ne, n1 및 no 사이에, 다음 식(19) 내지 (21)의 관계가 성립하고, 입사광은 가변 굴절율 물질층(7)과 등방 굴절율 물질층(5)과의 계면에서 전반사한다.
ne ≥ n1/sinθc (19)
no = n1 (20)
θ1 ≥ θc (21)
다음에, 전압을 인가하고, 제37(b)도에 도시하는 바와 같이 액정 분자(186)의 배향 상태를 초기 상태에서 x-y 평면내에서 각도 ψ(0˚ 〈 ψ 〈 90˚)만큼 회전시킨 경우, 입사광은 액정 분자(186)의 굴절율 이방성에서 정상 광 성분(no) 및 이상 광 성분(ne)에 따라 분리된다. 즉, 입사광의 강도를 I, 정상 광 성분의 광 강도를 Ino, 이상 광 성분의 광 강도를 Ine라 하면,
Ino = I·sinψ
Ino = I·cosψ
라 기술된다. 이들 성분으로 분리된 광은 각각의 굴절율 이방성, 즉 굴절율 no 또는 ne의 가변 굴절율 물질층(7)을 통과하여, 굴절율 n1의 등방 굴절율 물질층(5)으로 입사하는 것을 의미이기 때문에, 광의 상태를 전반사와 완전한 투과 사이에서 전환하고자 하는 경우, 제37(c)도에 도시하는 바와 같이, Ine = 0, 즉 액정의 배향 변위각인 콘 각 ψ이 90˚인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 변조 광의 콘트라스트 비를 향상시키는 것도 가능하게 된다.
또, 본 형태에서는 쌍안정성의 액정 표시 방식으로서 SSF-LC모드를 채용했지만, 마찬가지 효과가 얻어지면 이것에 한정되지 않고, 또 Sm상 중에는 3종류 이상의 안정 상태를 갖는 것도 존재하기 때문에, 그와 같은 Sm상을 이용하여 계조 표시를 행하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 제11 실시 형태를 설명한다. 본 형태에서, 편향 소자(190)는 제1 실시 형태에서 설명한 편향 소자(1)와 거의 동일한 구성이지만, 한쪽 기판 부재(13)와 다른쪽 기판 부재(4)와의 사이에 입경 1.5㎛의 글라스 비즈 스페이서를 통해 한쪽 기판 부재(13)와 다른쪽 기판 부재(14)를 그 배향 처리 방향이 서로 평행 또한 역 방향이 되도록 대향시킨 점이 전술한 편향 소자(1)와 다르다. 상기한 제1 실시 형태의 편향 소자(1)는 흑백 표시는 가능하지만, 계조 표시를 행하는 것은 불가능하였다. 본 실시 형태에서는 저전압 구동이 가능하고, 또한 연속적인 계조 표시를 얻을 수 있는 편향 소자(190)에 대해 설명한다.
본 발명의 제11 실시 형태에 대해 제38도 내지 제40도에 기초하여 설명하면, 이하와 같다. 또, 전술한 제1 실시 형태에서 설명한 구성과 동일한 기능을 갖는 구성에는 동일 부호를 병기하고, 그 설명을 생략한다. 편향 소자(190)는 상기한 바와 같이 액정 셀이 구성됨으로써, SSF-LC와 같은 쌍안정성이 손실되고, 단안정 상태를 갖는 강유전성 액정 모드를 나타내고 있다(제17회 액정 토론회 예고집, 3F301(1991)참조). 또, 상기한 단안정 상태는 배향 처리 방향에 따른 방향이다.
제38도는 편향 소자(190)의 가변 굴절율 물질층(7)에서, 한쪽 기판 부재(13) 및 다른쪽 기판 부재(14) 사이에 인가되는 전압에 따라 액정 분자의 배향이 변화하는 형태를 도시하는 모식도이다. 또, 같은 도면 중에 도시하는 화살표 D₁및 D₂는 다른쪽 기관 부재(14)의 배향막(8) 및 한쪽 기판 부재(13)의 배향막(6)의 각각에 실시된 배향 처리의 방향을 각각 도시하는 것이다.
편향 소자(190)에서는, 전압이 인가되어 있지 않을 경우에는 이 도면에 도시하는 바와 같이, 액정분자는 안정 상태 Sc를 나타내고 있다. 이 액정 분자에 전압이 인가되면, SSF-LC와 마찬가지로 액정 분자의 다이폴이 인가 전계와 역 방향이 되도록 상태 SD 또는 SE 중 어느 것으로 방향의 변화가 발생한다. 그러나, 인가 저압을 OFF로 하면, 액정 분자의 배향은 바로 안정 상태 Sc로 복귀한다. 이와 같이 전압의 무인가시에 단안정 상태를 갖고, 전압의 인가시에는 인가 전압에 따라 배향의 변화가 발생함으로써, 본 형태의 편향 소자(190)를 표시 장치에 적용한 경우, 계조 표시가 가능하게 된다.
제39도는 편향 소자(190)에서 액정 분자의 배향 방향의 각도 변화에 대한 광의 투과율(반사율)을 도시하는 그래프이다. 도면중에 도시하는 곡선 L25는 등방 굴절율 물질층(5) 및 가변 굴절율 물질층(7)의 계면에서 전반사되는 반사 성분의 반사율을 표시하고, 곡선 L26은 상기 계면을 투과하는 투과 성분의 투과율을 표시한다. 같은 도면에서 명백해진 바와 같이, 편향 소자(190)에서는 액정 분자의 배향 방향의 각도 변화에 따라 연속적으로 광의 투과율(반사율)이 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 편향 소자(190)를, 예를 들면 표시 장치에 적용함으로써, 계조 표시가 가능하게 된다.
제40도는 편향 소자(190)에서 인가 전압에 대한 투과(반사)율 특성을 측정한 결과를 도시하는 그래프이다. 도면중에 도시하는 곡선 L27은 등방 굴절율 물질층(5) 및 가변 굴절율 물질층(7)의 계면에서 전반사되는 반사 성분의 반사율을 표시하고, 곡선 L28은 상기 계면을 투과하는 투가 성분의 투과율을 표시한다. 같은 도면에서 명백해진 바와 같이, 편향 소자(190)는 1~5V 정도의 인가 전압에 따라 투과(반사)율이 연속적으로 변화함을 알 수 있다. 또, 인가 전압이 5V 부근에서, 반사 성분은 급격하게 감소하고, 투과 성분은 급격하게 증가한다. 즉, 편향 소자(190)는 1~10V 정도의 비교적 낮은 구동 전압에 의해 콘트라스트 비가 높은 변조 광을 얻을 수 있음과 동시에, 연속적인 계조 변화를 행하는 것이 가능하다.
또, 본 형태에서는 배향 제어법에 의해 안정 상태를 1개로 한 강유전성 액정을 가변 굴절율 물질층(7)으로서 이용한 구성을 예로 들어 설명했지만, 마찬가지의 효과가 얻어지면, 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 1995년의 액정 토론회에서 발표된 바와 같은 강유전성 액정에 액정성 고분자를 혼입하여 SSF-LC의 쌍안정성을 소멸시키는 방법을 이용하는 것도 가능하다. 또, 반강유전성 액정을 사용한 구성으로 해도 양호하게, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 제12 실시 형태를 설명한다. 본 형태는 제19도에 도시되는 편향 소자(51)의 가변 굴절율 물질층(7)에 제4 실시 형태에서의 네마틱 액정을 도입했지만, 제12 실시 형태에서는 표면 안정화 강유전성 액정을 도입한 것 이외는 제4 실시 형태와 거의 마찬가지로 구성된다. 표면 안정화 강유전성 액정을 도입함으로써, 가변 굴절율 물질층(7)은 제10 실시 형태와 마찬가지로 형성된다. 본 실시 형태에서는 제4 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 제21도 및 제22도에 도시되는 편향 소자(1)에, 본 실시 형태의 가변 굴절율 물질층(7)에 표면 안정화 강유전성 액정을 도입한 편향 소자(51)를 이용하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 편향 소자(51)를 이용함으로써, 제5 실시 형태 및 제6 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 제26도에 도시되는 편향 소자(131)의 가변 굴절율 물질층(7, 137)에 제9 실시 형태에서의 네마틱 액정을 도입했지만, 표면 안정화 강유전성 액정을 도입하여 이용하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 표면 안정화 강유전성 액정을 도입한 편향 소자(131)를 이용함으로써, 제9 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
발명의 상세한 설명의 항에서 없는 구체적인 실시 형태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명백하게 하는 것으로, 그와 같은 구체 예에서만 한정하여 협의로 해석되어야 하는 것은 아니고, 본 발명의 정신과 다음에 기재하는 특허 청구 사항의 범위내에서 여러가지로 변경하여 실시할 수 있는 것이다.
본 발명에 의하면, 광 반사층이 경사진 반사면을 갖고 있어 등방 굴절율 물질층과 가변 굴절율 물질층의 계면에서의 반사광과 광 반사층의 반사면에서의 반사광의 출사 방향을 다르게 할 수 있다. 따라서, 상기 계면에서의 반사광 강도와 투과광 강도는 가변 굴절율 물질층에 에너지 전달 수단으로부터 에너지를 공급하여 가변 굴절율 물질층의 굴절율을 변화시킴으로써 조정할 수 있다. 따라서, 상기 계면 또는 광 반사층의 반사면에서의 반사광을 이용하여, 해당 반사 광 강도를 조정한 계조 표시 등의 스위칭이 가능하게 된다.
저 구동 전압에 의한 구동이 가능하고, 높은 콘트라스트 비를 갖는 광 출력이 얻어지며, 또한 광 신호의 이용 효율이 높고, 프로젝션 등의 투사형 표시 장치에 이용해도 우수한 표시 특성이 얻어지는 편향 소자 및 그것을 이용한 투사형 표시 장치를 제공할 수 있다.
Claims (26)
- 외부로부터 공급되는 에너지와는 상관 없이 굴절율이 일정한 투광성 물질로 이루어지는 등방 굴절율 물질층; 외부로부터 공급되는 에너지에 따라 굴절율이 변화하는 투광성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층; 적어도 가변 굴절율 물질층을 사이에 개재하여, 상기 가변 굴절율 물질층에 에너지를 인가하는 한쌍의 에너지 전달 수단; 상기 등방 굴절율 물질층 및 가변 굴절율 물질층을 통과한 광을 반사시키는 경사진 반사면을 갖는 광 반사층; 및 광 입사측의 최외방측에 배치되는 도광 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광 반사층은 한쌍의 에너지 전달 수단 중 어느 한쪽의 에너지 전달 수단을 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 한쌍의 에너지 전달 수단 중 어느 한쪽의 에너지 전달 수단은 가변 굴절율 물질층의 한쪽면에 접하고, 다른쪽의 에너지 전달 수단은 가변 굴절율 물질층의 상기 한쪽면과는 반대인 다른쪽 면에 접하여 존재하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광 반사층과 상기 한쌍의 에너지 전달 수단중 어느 한쪽의 에너지 전달 수단은 서로 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 등방 굴절율 물질층과 상기 가변 굴절율 물질층은 모두 복수개 존재하고, 상기 등방 굴절율 물질층과 상기 가변 굴절율 물질층은 상기 에너지 전달 수단과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 복수의 가변 굴절율 물질층이 갖는 편광축중 적어도 2개의 편광축은 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 복수의 가변 굴절율 물질층 사이에는 적어도 1개의 등방 굴절율 물질층이 배치되는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광 반사층의 반사면과 경사각 δ와, 상기 입사광과 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면의 법선 사이에 형성되어 있는 입사각 θ1은θ1/2 ≤ δ ≤ θ1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 등방 및 가변 굴절율 물질층 중 어느 한쪽의 굴절율 물질층의 굴절율을 n2로 하고, 다른쪽의 굴절율 물질층의 굴절율을 n1으로 하며, 상기 한쪽의 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현되고, 상기 다른 쪽의 굴절율 물질층이 정상 광 굴절율 no, 이상(異常) 광 굴절율 ne을 갖는 1축성(軸性)의 투광성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층으로 실현될 때에, 굴절율 n1, n2, no, ne는no ≤ n1 ≤ neno ≤ n2 ≤ neθ1 ≥ arcsin(n2/ne)의 관계를 만족하며, 상기 한쪽의 굴절율 물질층이 정상 광 굴절율 no, 이상 광 굴절율 ne을 갖는 1축성의 투광성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층으로 실현되고, 상기 다른쪽의 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현 될 때에, 굴절율 n1, n2, no, ne는no ≤ n2 ≤ neno ≤ n1sinθ1ne ≥ n1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 등방 및 가변 굴절율 물질층 중 어느 한쪽의 굴절율 물질층의 굴절율을 n2로 하고, 다른쪽의 굴절율 물질층의 굴절율을 n1으로 하며, 상기 한쪽의 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현되고, 상기 다른쪽의 굴절율 물질층이 최대 굴절율 nmax, 최소 굴절율 nmin을 갖는 광학적으로 등방성인 투광성 물질로 이루어지는 가변 굴절율 물질층으로 실현될 때에, 굴절율 n1, n2, nmax, nmin은nmin ≤ n1 ≤ nmaxnmin ≤ n2 ≤ nmaxθ1 ≥ arcsin(n2/nmax)의 관계를 만족하며, 상기 한쪽의 굴절율 물질층이 최대 굴절율 nmax, 최소 굴절율 nmin을 갖는 광학적으로 등방성인 투광성 물질로 이루어지는 가변 물질층으로 실현되고, 다른쪽 굴절율 물질층이 등방 굴절율 물질층으로 실현될 때에는 굴절율 n1, n2, nmax, nmin은nmin ≤ n2 ≤ nmaxnmin ≤ n1sinθ1nmax ≥ n1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 도광 수단은 적어도 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면에 거의 평행하게 배치되는 제1표면과, 제1표면과 교차하는 제2표면을 갖고, 제2표면으로부터 입사한 광 중 상기 제2표면의 법선 방향을 기준으로 하여 ±20°를 이루는 각도의 범위로부터의 광을 등방 및 가변 굴절율 물질층으로 유도하는 프리즘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제11항에 있어서, 상기 프리즘의 제1표면과 제2표면이 이루는 각은 50°이상 90°미만인 범위로 선택되는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제11항에 있어서, 상기 프리즘의 제2표면으로부터의 입사광에 의해 제1표면에 투영되는 제2표면의 사영(射影) 영역은 스위칭에 기여하는 실제 스위칭 영역 보다도 큰 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제11항에 있어서, 상기 프리즘의 제1표면과 평행하고 제1표면보다 왼쪽에 배치되고, 스위칭에 기여하는 실제 스위칭 영역보다도 큰 제3표면을 갖는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 가변 굴절율 물질층은 액정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제15항에 있어서, 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정 분자는 불규칙하게 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 매트릭스 형상으로 배열되는 복수의 화소 영역이 설정되고, 각 화소 영역에서 상기 한쌍의 에너지 전달 수단이 서로 대향하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 도광 수단을 향해 광을 조사하는 광원; 및 상기 도광 수단으로부터의 출사광을 수광하는 수광 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제18항에 있어서, 상기 도광 수단에 입사하는 광이 무(無) 편광 광인 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제18항에 있어서, 상기 도광 수단에 입사하는 광이 편광 광인 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광 반사층은 한측면이 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면에 평행한 삼각 기둥 형상이고, 상기 등방 및 가변 굴절율 물질층의 계면에 대해 수직이고, 삼각 기둥의 연장하는 방향에 대해 직교하는 방향의 단면 형상이 이등변 삼각형이며, 상기 이등변 삼각형의 동일 각인 광 반사층의 반사면의 경사각을 δ라 하고, 입사 광의 상기 계면의 법선 방향에 대한 입사각을 θ1이라 하면,θ1/2 ≤ δ ≤ θ1이 만족되는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제15항에 있어서, 상기 도광 수단으로의 광을 편광광으로 하는 편광 수단을 포함하고; 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정 분자를 얻을 수 있는 배향 상태 중 소정의 한 상태에서, 상기 액정 분자의 굴절율 이방성의 정상 광 성분 및 이상 광 성분 중 어느 한쪽과, 상기 편광 수단으로부터 상기 액정 분자로 입사하는 편광의 진동 방향이 동일 평면에 포함되며; 상기 정상 광 성분 및 이상 광 성분 중 편광의 진동 방향과 동일 평면에 포함되는 성분을 N1, 다른쪽의 성분을 N2, 상기 등반 굴절율 물질층의 굴절율을 N, 가변 굴절율 물질층으로의 편광이 입사각을 θ1, 가변 굴절율 물질층과 등방 굴절율 물질층과의 계면의 임계각을 θc라 하면,N1 ≥ N/sinθcN2 = nθ1 ≥ θc가 만족되는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제15항에 있어서, 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정이 쌍안정 상태를 갖는 액정으로 이루어지고, 상기 가변 굴절율 물질층으로 입사하는 편광의 진동 방향과 상기 쌍안정 상태의 한쪽 상태에 있는 액정 분자의 배향 방향이 동일 평면에 포함되는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제23항에 있어서, 상기 액정의 쌍안정 상태의 한쪽 상태와 다른쪽 상태에서의 액정 분자가 이루는 콘(cone) 각이 약 90°인 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제15항에 있어서, 상기 가변 굴절율 물질층을 구성하는 액정이 단안정성 모드의 액정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 편향 소자.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한항에 기재한 편향 소자를 라이트 밸브(light valve)로서 구비하는 것을 특징으로 하는 편향 소자를 이용한 투사형 표시 장치.
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