TW200532279A - Spatial light modulator and spatial light modulation method - Google Patents

Description

200532279 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關用於顯示裝置，光情報處理裝置等之空 間光調製方法。更詳細者係有關以被調製光做爲反射層， 使用低折射率材料形成之層取代先行技術之金屬層，且使 用以碳奈米管做爲必須之光機能性材料所形成之層取代含 色素之光機能性材料層之空間調製元件，更有關利用該空 間光調製元件，使被調製光於導波狀態下關閉、或藉由反 射，使用壽命變長，調製應答感度變高，可做成高速度之 光調製之空間光調製方法。 【先前技術】 由先行技術被揭示，使用表面電漿子共振之空間光調 製元件者公知者有單面稜鏡上層合金屬層與藉由光照射其 折射率變化之物質所成之光機能性膜（亦稱含色素之膜等 )所成之元件者。該元件上使應調製之被調製光通過稜鏡 後進行入射，於金屬膜關閉或反射後由稜鏡出射時，必要 時於光機能性膜照射調製驅動光後，藉由調製驅動光之 ΟΝ/OFF可變更被調製光之關閉條件，可進行高速光調製 者（如：專利文獻1〜3 )。 公知之碳奈米管可做爲光機能性材料使用之。且報告 指出，碳奈米管之光應答特性爲高速者，於1〜2 μ m之波 長領域可發揮此等特性（如：專利文獻4，非專利文獻 1 〜3 ) 〇 -4- 200532279 (2) 專利文獻1 :特開平5 — 2 7 3 5 0 3號公報 專利文獻2 :美國特許66 1 1 3 6 7號明細書 專利文獻3 :特開2 0 0 2 — 2 5 8 3 3 2號公報 專利文獻4 :特開2 0 0 3 — 1 2 1 8 9 2號公報 非專利文獻 1 : Y. C. Chen et al，Applied Physics 、

Letters, 81，p · 9 7 5 - 9 7 7 (2 0 0 2 ) - 非專利文獻 2·· M. Ichida et al5 Physica B，323，ρ· 237-238(2002) · 非專利文獻 3 : S. Tatsuura et al，Advanced Materials， 1 5，p.5 3 4-5 3 7(2003 ) 先行技術之空間光調製元件係使用1(Γ15秒激光等極 短波動之高動力雷射光做爲調製驅動光後，金屬層受損， 導致被調製光之光調製特性可能劣化。且，出現元件壽命 短之問題。 【發明內容】 φ 本發明鑑於上述課題，進行以提供一種使用極短波動 之高動力雷射光做爲調製驅動光，其光調製特性仍不致劣 化壽命長，且使用1 . 5 5 μ m等波長之光的應答速度爲快速 之空間光調製元件爲其目的者。 本發明係提供一種於介電體層與藉由光照射其複因素 折射率由變換之光機能性材料所形成之光機能性材料層之 間介在低於該介電體之低折射率透明材料所形成之低折射 率層所成者，該光機能性材料層以碳奈米管做爲必須之光 -5- 200532279 (3) 機能性材料所形成之層者爲其特徵之空間光調製元件。 本發明之空間光調製元件中，做爲介電體層者係由介 電體所形成之層者，以透明之介電體所形成之層爲較佳者 。做爲透明之介電體者如：光學玻璃（如BK7等），石英 玻璃、高衍射率玻璃、或聚碳酸酯等介電材料例者。 做爲光機能性材料層者以碳奈米管所成之層、或碳奈 米管與其他材料所成之層者宜。做爲其他材料者以低於本 發明介電體折射率之低折射率的透明材料者宜。該透明材 料可與用於形成該低折射率層之透明材料相同之材料者， 亦可爲不同材料者。更且，光機能性材料層係由碳奈米管 與相同於做成該低折射率層之透明材料之透明材料所形成 之層者爲宜。碳奈米管以單沃耳·碳奈米管者宜。 低折射率層以有機材料所成者宜，特別以含氟樹脂所 成者更爲理想。該含氟樹脂以未具C - Η鍵之非結晶性含 氟聚合物所成者宜。 本發明又提供一種於介電體層與藉由光照射其複因素 折射率所變換之光機能性材料所形成之光機能性材料層之 間介在低於該介電體之低折射率層的透明材料所形成之低 折射率層所成者，該光機能性材料層使用以碳奈米管做爲 必須之光機能性材料所形成之層的空間光調製元件，於該 介電體與低折射率層之界面通過該介電體之後，使被入射 之被調製光反射藉由調製驅動光進行控制者爲其特徵之空 間光調製方法。 本發明空間光調製方法中，藉由該調製驅動光控制被 -6 - 200532279 (4) 調製光之反射係藉由組合被調製光之反射與藉由導波狀態 關閉被調製光後進行者宜。 本發明空間光調製元件係變更先行技術之金屬層，具 備透明之低折射率層，使被調製光於介電體層與低折射率 層之界面進行反射，必要時於光機能性材料照射調製驅動 光後，藉由調製驅動光之ΟΝ/OFF進行被調製光之調製， 控制者。因此，可降低藉由照射於光機能性材料層之調製 驅動光及被調製光元件之受損，使用1 0 _ 15秒雷射光等高 動力雷射光仍可長期安定作用，具耐久性、可取得長壽命 之元件者。 特別是，做爲光機能性材料者，使用碳奈米管後，可 取得利用波長1 . 5 5 // m等近紅外線波長區域之光的應答速 度快速之空間光調製元件。亦即，使既存之通訊系統所採 用之光學系統直接流通使用後，可設計爲具有高速應答特 性之光電路。 做爲具備透明之低折射率層構成取代金屬層後，藉由 調製驅動光之ΟΝ/OFF轉換爲高感度之被調製光反射率， 調製應答感度變成極高者。其結果可呈更高速度之調製， 可實現具有1 (Γ 1 2秒指令之應答速度的空間光調製元件。 更，做成具備透明低折射率層構成取代金屬層後，被 調製光之入射角與出射角變大，調製驅動光漏出出射側後 ，降低被檢出造成噪音的起因。 【實施方式】 200532279 (5) 圖1係代表本發明空間光調製元件之第1實 圖者。此空間光調製元件1係於介電體所成之稜鏡 電體）與光照射後折射率變換之光機能性材料所成 能性材料層3之間介在具有低於構成稜鏡2之介電 率（η 1 )之低折射率（n2 )的透明材料所成之低折 4所成，於稜鏡2與低折射率層4之界面通過稜鏡 構成入射之被調製光5之反射藉由調製驅動光6呈 者。 本發明中以被調製光5做成入射之介電體層形 未受限於此稜鏡2，可做成板狀、厚板狀、嵌段狀 形狀者。藉由使用做成截面三角形之稜鏡2後，於 面層合低折射率層4與光機能性材料層3，由稜鏡 一面使被§周製光5進彳了入射後，由棱鏡2之殘餘面 之光輕易構架出射之構造，因此爲理想者。 稜鏡2係針對被調製光5之波長由透明之介電 成者。介電體特別以針對被調製光波長之折射率爲 之材質所成者爲較佳者。具體例如：光學玻璃（如 等）、石英玻璃、高折射率玻璃、聚碳酸酯等例。 與低折射率層4之折射率差（nl— n2)以〇.〇5〜〇.9 者。 構成該低折射率層4之材料係其材料折射率（ 於構成介電體折射率（nl)(亦即，具有η2<ηΐ關 )之透明材料即可，針對被調製光波長其耐光性良 機材料或有機材料者宜。無機材料之例如：氟化物 施形態 2 (介 之光機 體折射 射率層 2後， 被控制 狀者並 等其他 其第1 2之另 使反射 體所形 1.4 〜3 ：BK7 稜鏡2 爲理想 n2)小 係者。 好之無 結晶、 -8- 200532279 (6) 加氟石英玻璃等例。有機材料例如：含氟樹脂例者。 由無機材料所成之低折射率層4可藉由濺射法、蒸鍍 法等進行成膜。又，由無機材料所成之低折射率層4可使 樹脂溶液藉由旋轉塗層法等進行成膜之。由製造成本、製 造容易度等有利點視之，做爲本發明空間光調製元件1所 使用之低折射率層4者以有機材料，特別是含氟樹脂所形 成之層者爲較佳者。 此低折射率層4之厚度以100〜l〇〇〇nm者宜，200〜 lOOOnm爲較佳，更佳者爲3 00〜8 0 0nm者。低折射率層之 厚度因應本發明空間光調製元件所入射之被調製光波長進 行變更者宜。一般，低折射率層4之厚度只要爲該範圍者 即可進行良好之被調製光5之調製，取得充份之耐久性， 可取得長壽命之空間光調製元件1者。 本發明理想實施形態中低折射率層4以含氟樹脂所成 者宜。此含氟樹脂更以未含C - Η鍵之非結晶性含氟聚合 物所成者宜。此含氟聚合物係以C - F鍵（亦即碳_氟鍵 )取代C — Η鍵者。 做爲含氟聚合物者可使用四氟乙烯樹脂、全氟（乙烯 一丙烯）樹脂、全氟烷氧基樹脂、亞乙烯氟化樹脂、乙烯 -四氟乙烯樹脂、氯三氟乙烯樹脂等。惟，此等含氟樹脂 因具有結晶性，而引起光散射、透明性變差、照射調製驅 動光6時產生融解，可能劣化耐久性。 針對此，非結晶性之含氟聚合物不會藉由結晶產生光 散射，具良好透明性。做爲該含氟聚合物者只要未具C - -9 - 200532279 (7) Η鍵之非結晶性含氟聚合物即可，未特別限定，以具環結 構於主鏈之含氟聚合物者宜。做爲具環結構於主鏈之含氟 聚合物者以具有含氟脂肪族環結構、含氟醯亞胺環結構、 含氟三嗪環結構或含氟芳香族環結構之含氟聚合物者宜。 做爲具有含氟脂肪族環結構之含氟聚合物者又以具有含氟 脂肪族醚環結構之聚合物爲更佳者。 做爲具有含氟脂肪族環結構之聚合物者以聚合具有含 氟環結構之單體取得之聚合物，至少具2個（較佳者爲2 個）聚合性雙鍵之含氟單體經環化聚合取得具有含氟脂肪 族環結構於主鏈之聚合物爲理想者。 使具有含氟脂肪族環結構之單體進行聚合後取得具有 含氟脂肪族環結構於主鏈之聚合物公知者如特公昭63 _ Β96 4號公報等者。亦即，藉由單獨聚合具全氟（2，2-二甲基一 1，3 -二噁茂）等含氟脂肪族環結構之單體後， 且’此單體與四氟乙烯、氯三氟乙烯、全氟（甲基乙烯醚 )等自由基聚合性單體進行共聚後取得具有含氟脂肪族環 結構於主鏈之聚合物。 又，使具有至少2個聚合性雙鍵之含氟單體進行環化 聚合後取得具含氟脂肪族環結構於主鏈之聚合物公知者如 :特開昭63 — 23 8 1 1 1號公報、特開昭63 - 23 8 1 1 5號公報 等。亦即，藉由全氟（烯丙基乙烯醚）、全氟（丁烯乙烯 魅）等單體之環化聚合後，或使此單體與四氟乙烯、氯三 氟乙烯、全氟（甲基乙烯醚）等自由基聚合性單體進行共 _後可取得具有含氟脂肪族環結構於主鏈之聚合物。 -10- 200532279 (8) 該聚合物中，使全氟（丁烯乙烯醚）進行環化聚合後 取得具有脂肪族環結構於主鏈之未具c 一 H鍵非結晶性之 含氟聚合物例者如：旭硝子公司製之商品名Saitop (折射 率 1 . 3 4 ) % 例。 又，具有全氟（2，2-二甲基一 1’ 3 -二D惡茂）等含 氟脂肪族環結構之單體與全氟（烯丙基乙烯醚）、全氟（ 丁烯乙烯醚）等至少2個聚合性雙鍵之含氟單體藉由共聚 後，仍可取得具有含氟脂肪族環結構於主鏈之聚合物者。 做爲該具有含氟脂肪族環結構之聚合物者，具體例如 ••選自以下（I )〜（IV )式之重覆單位者。此等具含氟脂 肪族環結構之聚合物中其部份氟原子亦可以氯原子取代之

CF —(~CF2 - CF〆 2、Cf)~ —CF2:CF—CF—CF2)— (C^)k o— (I) (CFR)r / -(CF2)m (CF2)k (CFR)r 〇—(CF2)r (Π) -(^cx1 一 c(2)-

(IV) (CF2)U /(CF% \(CFCI)p (瓜） 具含氟脂肪族環結構之聚合物以具有環結構於主鏈之 聚合物者，惟，由其透明性、機械性特性等而視之，以含 有20莫耳％以上，較佳爲4〇莫耳％以上之具環結構之重 覆單位者宜。 做爲本發明之光機能性材料者以碳奈米管做爲必須者 •11 - 200532279 (9) 。做爲碳奈米管者由其應答特性之面視之又以單沃耳、碳 奈米管爲理想者。 碳奈米管係藉由光照射後變更其折射率者乃爲公知者 ，可吸收紫外〜可視〜近紅外線區域之波長光，特別是1〜2 // m (更特徵性者爲〗.3〜1 . 6 // m )之區域波長光後，可做 爲光機能性材料之使用。 本發明空間光調製元件可做爲紫外〜可視〜近紅外區域 之光調製元件使用之。亦即，使用既存之光通訊所使用之 1 .5 5 μ m之波長光仍可藉由本發明驅動空間光調製元件。 又，本發明空間光調製元件使用紫外〜可視區域之光亦可 驅動，於該通訊波長域下可取得高速之應答特性。且，本 發明空間光調製元件中所使用之透明材料係指入射於該元 件之光，亦即，於紫外〜可視〜近紅外線領域之光的波長中 爲透明者之意。 本發明之光機能性材料層係以碳奈米管做爲必要之光 機能性材料所形成之層者，亦可爲碳奈米管所成之層、或 碳奈米管與其他材料所形成之層，又以後者之層爲較佳者 。做爲前者之層例者如：層合碳奈米管之層者。又，做爲 後者之層者以碳奈米管與透明材料所形成之層者爲較佳者 ，碳奈米管以含於透明材料所成之層者宜。碳奈米管爲含 於透明材料之層者係指碳奈米管爲均勻分散於透明材料所 成之層爲宜者。 形成光機能性材料層之透明材料係指與用於設置於前 述介電體層與光機能性材料者之間的透明材料層之透明材 -12- 200532279 (10) 料相同者，亦可爲相異者。又，該透明材料幾乎未於近紅 外線區域吸收之材料者宜。 又，以光機能性材料層之折射率做爲n3後，此n3與 低折射率層之折射率（n2)之關係以η3-π2者宜，n3>n2 者爲更佳。特別是光機能性材料層與低折射率層之折射率 差（n3 — n2)以0.04〜0.9之範圍者宜。 做爲本發明元件之構成具體例者如：介電體層與設定 特定之透明材料所成之低折射率層，更設定含碳奈米管之 相同特定透明材料所成之層做爲元件之例者。更詳細之例 者如：玻璃基體中設定含透明之氟樹脂等所成之低折射率 層，更設定分散碳奈米管之相同含透明之氟樹脂所成之層 例者。 特別是此透明含氟樹脂做爲溶液供給時，設置樹脂層 於介電體層時可採用旋轉塗層法等方法，且，以使碳奈米 管易於分散於樹脂者佳。又，做爲其他具體構成例者如： 做爲含碳奈米管之透明材料者，使用不同於用於低折射率 層透明材料之其他透明材料（未限定於含氟樹脂）後，取 得與上述相同之元件者。 本發明空間光調製元件1中，該光機能性材料層3之 厚度以100〜lOOOnm者宜，i50〜1 000nm爲較佳，更佳者爲 2 5 0〜8 OOnm。當光機能性材料層3之厚度爲上述範圍時， 則可良好進行被調製光5之調製，取得充份之耐久性，亦 取得長壽命之空間光調製元件1。 做爲利用此空間光調製元件1進行光調製之方法例者 -13- 200532279 (11) 如圖所示之例者。圖1係於做成截面三角形之稜鏡2之單 面上層合低折射率層4與光機能性材料層3，由稜鏡2之 層合面之另一面使被調製光5進行入射。被調製光5係其 入射角Θ於所定範圍時於棱鏡2與低折射率層4之界面被 反射，由稜鏡2之殘留面進行出射。此時之入射角0之範 圍以40度〜8 5度者宜。特別使調製驅動光6照射於光機能 性材料層3時，配合導波形態所生成被調製光5之關閉角 度者宜。於棱鏡2入射之被調製光5波長並未特別限定。 空間光調製元件1之光機能性材料層3於必要時照射 調製驅動光6之後，增加光機能性材料層3之消衰係數（ k )。伴隨此消衰係數（k )之增加，該被調製光5之反射 率敏銳變化，藉由調製驅動光6之ΟΝ/OFF由稜鏡2進行 出射之被調製光5的調製。調製驅動光6照射於光機能性 材料層3時配合導波狀態所生成之被調製光5之關閉角度 後，進行被調製光5之入射時，於未照射調製驅動光6之 OFF時，被調製光5之反射率未變化，幾乎所有入射光於 稜鏡2與低折射率層4之界面被反射，由稜鏡2之出射面 進行出射。另外，照射調製驅動光6於光機能性材料層3 (ON時）之後，光機能性材料層3之消化係數（k )增加 ，伴隨此消化係數（k )之增加，被調製光5之反射率急 降，由棱鏡2之出射面之出射被調製光5急速變弱、或實 質上消失。其中，被調製光5之反射率急降係由稜鏡2與 低折射率層4之界面至低折射率層4、光機能性材料層3 之間，生成定存波做爲導波狀態，因此，最後結果未見反 -14- 200532279 (12) 射。故，藉由調製驅動光6之ON/OFF，可進行被調整光 5之光轉換或強度調製。 藉由調製驅動光6之ΟΝ/OFF切換所生成之反射率變 化當Ο N時爲〇 · 2之1 〇·12秒以下，〇 F F時爲1之1 (Γ 12秒 以下者’藉由此空間光調製元件1可呈極高速度之光調製 者。 空間光調製元件1係以具備透明之低折射率層取代先 行技術之金屬層，使被調製光5反射於稜鏡2與低折射率 層4之界面，必要時照射調製驅動光6於光機能性材料3 。亦即，藉由調製驅動光6之ON/OFF進行被調製光5之 調製者’因此，藉由照射於光機能性材料層3之調製驅動 光6及被調製光5可降低元件受損，即使使用1 〇·15秒雷 射光等之高動力雷射光仍可長期安定作用，具良好耐久性 ，取得長壽命之元件。 做成具備透明之低折射率層4之構成取代金屬層後， 藉由調製驅動光6之ON/OFF後，其被調製光5之反射率 呈更高感度之變化後，調製應答感度變得極高，可呈更高 速度之調製，可實現具有秒指令之應答速度之空間 光調製元件。 更做成具備透明之低折射率層4之構成取代金屬層後 ’被調製光5之入射角與出射角變大，調製驅動光6降低 起因於漏出出射側所被檢出噪音之產生。 圖2係代表本發明空間光調製元件之第2實施形態圖 者。此空間光調製元件7具備與圖1所示第1實施形態之 -15 - 200532279 (13) 空間光調製元件1幾乎相同之構成要素後所構成者，相同 構成要素中附同一符號者。此空間光調製元件7與第1實 施形態之空間光調製元件1之相異點係使用具有與稜鏡2 相同之折射率（η 1 )的滑動玻璃8，於此滑動玻璃8之單 面側層合低折射率層4與光機能性材料層3後，固定稜鏡 2於其滑動玻璃8之另一面，使由稜鏡2入射之被調製光 5反射於滑動玻璃8與低折射率層4之界面所構成之點者 。稜鏡2與滑動玻璃8以介著相同於其材料之折射率配合 液、透明樹脂黏合劑進行固定者宜。 空間光調製元件7係與圖1所示第1實施形態之空間 光調製元件1相同，可藉由調製驅動光6之ΟΝ/OFF使被 調製光5進行高速調製者，可取得相同於第1實施形態之 空間光調製元件1之效果者。空間光調製元件1更於滑動 玻璃8之單面側層合低折射率層4與光機能性材料層3者 ，因此，容易藉由旋轉塗層法等形成低折射率層4與光機 能性材料層3易於製造之。 做爲其他形態者，如：以衍射光柵取代稜鏡使用後， 構成空間光調製元件之例者。 〔產業上可利用性〕 本發明係提供一種使用1 0 ^ 5秒雷射光等極短波動之 高動力雷射光仍可長期安定作用’具良好耐久性、長壽命 之空間光調製元件者。更針對既存之1 . 3〜1 · 6 μ m波長之 光源亦可取得高速應答特性者。 -16- 200532279 (14) 【圖式簡單說明】 〔圖1〕代表本發明空間光調製元件之第1實施形態 的槪念圖。 〔圖2〕代表本發明空間光調製元件之第2實施形態 _ 的槪念圖。 - 【主要元件之符號說明】 φ 1，7 :空間光調製元件 2 :棱鏡（介電體） 3 :光機能性材料層 4 :低折射率層 5 :被調製光 6 :調製驅動光 8 :滑動玻璃（介電體） -17-

Claims (1)

1. 200532279 (1) 十、申請專利範圍 1 · 一種空間光調製元件，其特徵係於介電體層與藉 由光照射使複因素折射率所變化之光機能性材料所形成之 光機能性材料層之間，介有由低於該介電體之低折射率的 透明材料所形成之低折射率層所成者，該光機能性材料層 以碳奈米管做爲必要之光機能性材料所形成之層者。 2 ·如申請專利範圍第丨項之空間光調製元件，其中 該形成低折射率層之透明材料爲有機材料者。 3 .如申請專利範圍第1項之空間光調製元件，其中 該形成低折射率層之透明材料爲含氟樹脂者。 4 ·如申請專利範圍第1項之空間光調製元件，其中 該形成低折射率層之透明材料爲未含C - Η鍵之非結晶性 含氟聚合物所形成之層者。 5.如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之空間 光調製元件，其中該光機能性材料層由碳奈米管與低於介 電體之低折射率的透明材料所形成之層者，該透明材料由 相同或不同於形成低折射率透明材料之材料所成者。 6 ·如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之空間 光調製元件，其中該光機能性材料層由碳奈米管與相同於 形成該低折射率層之透明材料之材料所成者。 7 ·如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之空間 光調製元件，其中該碳奈米管爲單沃耳•碳奈米管者。 8 ·如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之空間 光調製元件，其中該介電體層係由透明材料所形成之層者 -18- 200532279 (2) 9 · 一種空間光調製方法，其特徵係於介電體層與藉 由光照射使複因素折射率變化之光機能性材料所形成之光 機能性材料層之間，介有由低於該介電體之低折射率透明 材料所形成之低折射率層所成者，使用該光機能性材料層 以碳奈米管做爲必要之光機能性材料所形成之層的空間光 調製元件，於該介電體層與低折射率層之界面通過該介電 體層所入射之被調製光反射藉由調製驅動光進行控制者。 10.如申請專利範圍第9項之空間光調製方法，其中 藉由調製驅動光之被調製光的反射之控制，爲藉由被調製 光之反射與藉由波導狀態關閉被調製光之組合而進行者。