JPH0293519A - 光書き込み型空間光変調器 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は空間光変調器に係り、特に書込み光を用いて画
像やデータパターンのような２次元情報を入力し、読出
し光を用いてこの情報を２次元的に表示する機能を持つ
光書込み型空間光変調器に関する。

［従来の技術］ 従来、光書込み型空間光変調器としては以下に示す素子
がある。

（１）文献１　（Ｊ、Ｄ、Ｍａｒｇｅｒｕｍ、　Ｊ、Ｎ
ｉｍｏｙ　ａｎｄ　Ｓ、−Ｙ。

Ｗｏｎｇ　：　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ、１？、Ｎｏ、２（１９７０）、Ｐ
、５１〜Ｐ、　５３）には、第６図に示されるように、
動的散乱モード型液晶１８と光伝導層１７を密着し、そ
の両側に透明電極２を付着した素子が示されている。な
お、同図において、　１は基板、７は書き込み光、８Ａ
は読み出し光、８Ｂは表示光、１９は直流電源を示して
いる。

（２）文献２　（Ｗ、　Ｐ、　Ｂｌｅｈａ、　　Ｌ、　
Ｔ、　Ｌｊ、ｐｔｏｎ、　　Ｅ、　Ｗ。

Ａｖｅｎｅａｒ、　　Ｊ、Ｇｒｉｎｂｅｒｇ、　　Ｐ、
Ｇ、Ｒｅ１ｆ、　　Ｄ、Ｃａ５ａｓｅｎｔ。

Ｈ，Ｂ、Ｂｒｏｗｎ　　ａｎｄ　　Ｂ、Ｖ、Ｍａｒｋｅ
ｖｉｔｃｈ　　：　　ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒ
ｉｎｇ、　　Ｖｏｌ、１７．　　Ｎｏ、４．　　（１９
７ｇ）、　　Ｐ、３７１−Ｐ、　３８４）には、第７図
に示されるように、４５１ツイストのネマティック液晶
２３と全反射用誘電体多層膜４と光吸収層２１と光伝導
層２０（ＣｄＳ）とを順に密着し、その両端面に透明電
極２を付着した素子が示されている。なお、同図におい
て、６は交流電源を示している。

（３）文献３　（Ｗ、Ｌ、Ｂａ１ｌｌｉｅ　：　ＩＥＥ
　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ。

Ｖｏｌ、１３４．　Ｐｔｊ、　Ｎｏ、６．　（１９８７
）、　Ｐ、３２６−Ｐ、３３２）には、第８図に示され
るように、４５＠ツイストのネマティック液晶２３と全
反射用誘電体多層膜４と光伝導層１２（Ｂｉ＋ａＳＬＯ
□。結晶）とを密着し、その両端面に透明電極２を付着
した素子が示されている。

（４）文献４　（Ｐ、Ｒ，Ａｓｈｌｅｙ、　Ｊ、Ｈ，Ｄ
ａｖｉｓ　　ａｎｄ　Ｔ、Ｋ。

Ｏｈ　：　Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ、　　Ｖｏｌ
、２７．　Ｎｏ、９．（１９８８）。

Ｐ、１７９７−Ｐ、１８０２　）には、第９図に示され
るように、９０°ツイストのネマティック液晶２５とア
ルミニウム電極２６が付着した光伝導層２７（アモルフ
ァスシリコン）とを密着し、その両端面に透明電極２を
付着した素子が示されている。

（５）文献５　（Ｇ、Ｍｏｄｄｅｌ、　Ｋ、Ｍ、Ｊｏｈ
ｎｓｏｎ　　ａｎｄ　Ｍ。

Ａ、Ｈａｎｄｓｃｈｙ　：　５ＰＩＥ、　Ｖｏｌ、７５
４　０ｐｔｉｃａｌ　　ａｎｄＤｉｇｉｔａｉ　Ｐａｔ
ｔｅｒｎ　Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ、　（１９８７）、
　Ｐ、２０７−　Ｐ、　２１３）には、第１Ｏ図に示さ
れるように、強誘電性液晶２８と全反射用誘電体多層膜
４と光伝導層２９　（Ｐ−ｉ−ｎアモルファスシリコン
）とを密着し、その両端面に透明電極２を付着した素子
が示されている。

［発明が解決しようとする課題］ 前記した従来の光書込み型空間光変調器（１）〜（５）
には、以下に記述する欠点があった。

（１）の素子では動的散乱モード型液晶を用いているた
め、■表示画像のコントラスト比（画像の中で最も明る
い部分の光強度エアと最も暗い部分の光強度Ｉｏとの比
）が低い（ｒｓ　／工。＜１０）、■動作速度が遅い（
サイクルタイム（ある信号を表示してから次の信号を表
示するのに必要な最小時間）が約２秒）、■消費電力が
やや大きい、などの欠点があり、動画像の表示に適合し
ない。

（２）、（３）および（４）の素子ではツイストネマテ
ィック液晶を用いているため、以下に示す欠点がある。

■偏光板及び検光板を必要とする。

そのため、■キセノンランプのようにランダムに偏光し
た光で画像を表示する場合、表示光の５０％以上が偏光
板で排除されるため、表示画像が暗（なる。■偏光板お
よび検光板にはヨウ素を含むポリビニールアルコールフ
ィルムが一般に用いられるが、この偏光フィルムの光吸
収はかなり太き（（１枚で約３０％）、表示画像がさら
に暗くなる。また、■前記偏光フィルムは光波長に依存
した偏光特性を有するため、フルカラーの画像表示では
、色バランスが悪い（特に、偏光板と検光板の偏光方向
が互いに直交する状態で青色光が透過しやすい）、さら
に、■ツイストネマティック液晶の動作速度は遅い（例
えば該液晶層の厚さが１０μｍのとき４０ｍ５ｅｃの立
下り時間を必要とする）ため、動画像や画像が切り換わ
る場合、残像が発生し、画質が劣化する。さらに、■液
晶分子を配向させるための均一な配向層を必要とし、■
液晶層の厚みもかなり精密に保持しなくてはならない。

（５）の素子では強誘電性液晶を用いているため、動作
速度は速いが、次の欠点がある。■該液晶の透過率対印
加電圧特性は双安定状態を示すため、任意のレベルの画
像を表示すること（アナログ画像表示）ができない。か
つ、■液晶層の厚さは非常に薄い（１μｍ程度）ため、
大型の２次元素子を製作することは極めて困難である。

さらに、（５）の素子は、（２）〜（４）の従来素子の
持つ■〜■及び■、■の欠点も有する。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので
あり、ネマティック液晶の常光屈折率、異常光屈折率ま
たは該液晶がランダムに配向した際の屈折率のいずれか
と同等の屈折率を持つ樹脂マトリクス中に該液晶を閉じ
込めた液晶複合体と、光を全反射する誘電体多層膜と光
伝導層とを順次密着し、その両側に透明電極を付着した
構造を持つ光書込み型空間光変調器、及び、前記誘電体
多層膜を除き前記液晶複合体と光伝導層を密着させたこ
とを特徴とする光書込み型空間光変調器、及び、それら
の光書込み型空間光変調器において、前記液晶複合体中
のネマティック液晶分子の長軸を印加電界方向とほぼ一
致する方向に配列させるために必要な交流電圧の実効値
よりも大きな実効値をもつ交流電圧で駆動することを特
徴とする光書込み型空間光変調器を提供するものである
。

本発明の光書込み型空間光変調器は、ネマティック液晶
と該液晶の常光屈折率、異常光屈折率または該液晶がラ
ンダムに配向した際の屈折率のいずれかと同等の屈折率
をもつ樹脂マトリクスからなる液晶複合体と全反射用誘
電体多層膜と光伝導層とを密着して、その両端面に透明
電極を付着した構成をとることにより、従来素子の持つ
前記諸問題を解決し、高品質かつ明るい画像やデータパ
ターンの表示、インコヒーレント光画像のコヒーレント
光画像への変換、波長変換などを高速度で行うものであ
る。

即ち、このような液晶複合体の動作速度（数ｍ５ｅｃ〜
十数ｍ５ｅｃ）は動的散乱モード型液晶やツイストネマ
ティック液晶に比べて高速であり、従って、■本発明の
空間光変調器は前記（１）〜（４）に述べた従来の空間
光変調器よりも速い応答速度を持つ。

また、本発明の素子は、偏光板及び検光板を用いずに画
像表示することができるため、■前記（２）〜（５）に
述べた従来の空間光変調器において特有の前記■〜■の
問題点をもたない。

さらに、本発明の空間光変調器は、前記（２）〜（４）
の従来の空間光変調器に不可欠な液晶配向層を要しなく
、大型化しても液体の液晶層を基板間に挟持するのでな
いため、■素子製作が極めて容易になる。

また、本発明に用いる液晶複合体は、従来の基板の周囲
をシールして内部に液体状の液晶を封入した液晶に比べ
て格段に大型化が可能であり、例えば光伝導層にアモル
ファスシリコン膜を用いることにより、■本空間光変調
器を容易に大型化することも可能である。

さらに、液晶複合体の透過率対印加電圧特性は、ツイス
トネマティック液晶や強誘電性液晶に比べて小さなγ特
性を有しており、■アナログ画像表示に適している。

［実施例］ 次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

本発明による光書込み型空間光変調器の斜視図を示す第
１図を参照すると、本発明の実施例は、透明電極２を付
着したガラス等の透明な基板ｌ、液晶複合体３、全反射
用誘電体多層膜４および透明電極２を付着した光伝導層
５を含む。２つの透明電極は交流電源６に接続される。

該交流電源６が発生する交流電圧は、液晶複合体中のネ
マティック液晶分子の長軸を印加電界の方向とほぼ一致
させるのに必要な交流電圧の実効値よりも大きな実効値
■。を持てばよく、具体的には５〜１００　Ｖ程度とさ
れる。

書込み光７は光伝導層５に入射する。一方、読出し光８
Ａは、ガラス等の透明な基板ｌ側から入射し、誘電体多
層膜４において全反射され、表示光８Ｂとなり、基板１
側に出射される。

本発明の液晶複合体は、ネマティック液晶と該液晶の常
光屈折率、異常光屈折率または該液晶がランダムに配向
した際の屈折率のいずれかと同程度の屈折率を持つ樹脂
マトリクスからなる。該樹脂マトリクス中に該液晶が、
例えば、第２図に示すように連通状態（その長さは数百
ｎｍ−数μｍ）で閉じ込められたものや、液晶が樹脂マ
トリクス中にマイクロカプセル状に閉じ込められたもの
である。

この液晶複合体は、液晶の常光屈折率または異常光屈折
率と樹脂マトリクスの屈折率とがほぼ一致している時に
は、電極間に該液晶複合体を直接はさんだ場合、電極間
に電圧が印加されていない状態で液晶と樹脂マトリクス
の屈折率がくい違っていることから散乱状態となり、電
極間に電圧が印加された状態で両者の屈折率が一致し、
光が透過する透過状態となる。

また、液晶がランダムに配向した際の屈折率と樹脂マト
リクスの屈折率とがほぼ一致している時には、電極間に
該液晶複合体を直接はさんだ場合、電極間に電圧が印加
されていない状態で液晶と樹脂マトリクスの屈折率が一
致していることから光が透過状態となり、電極間に電圧
が印加された状態で両者の屈折率が食い違い、光が散乱
状態となる。

これら両方の液晶複合体が使用できるが、前者の液晶の
常光屈折率または異常光屈折率と樹脂マトリクスの屈折
率とがほぼ一致しているタイプが好ましい。これは、液
晶がランダムに配向した際の屈折率と樹脂マトリクスの
屈折率とがほぼ一致しているタイプのものでは、大面積
の範囲でマクロ的にみると、部分的に液晶のランダムな
状態が異なり、透過時にムラがあるように見えることが
あるためである。これに対して、液晶の常光屈折率また
は異常光屈折率と樹脂マトリクスの屈折率とがほぼ一致
しているタイプの液晶複合体は、電圧を印加して液晶分
子が一定の方向に配列した状態で透過状態となるため、
ランダム配向時に偏った配向をしていてもほぼ均一に透
過することとなる。また、電圧を印加していない状態で
は、液晶分子は樹脂マトリクスの壁面に配列し、ランダ
ムに配向しているのと実質的に同じ状態になる。この状
態では、散乱状態になっており、透過状態とは異なり、
わずかに屈折率がずれても目立ちに（（、空間光変調器
として使用した場合にムラとなって認識されることはほ
とんどない。

特に、これらの中でも液晶の常光屈折率と樹脂マトリク
スの屈折率とがほぼ一致しているタイプがその性能上、
最適である。

この液晶複合体は、ネマティック液晶と、樹脂マトリク
スを構成する材料とを混ぜあわせて溶液状またはラテッ
クス状にしておいて、これを光硬化、熱硬化、溶媒除去
による硬化、反応硬化等させて樹脂のマトリクスを分離
し、樹脂マトリクス中にネマティック液晶が分散した状
態をとるようにすれば良い。

使用する樹脂を、光硬化または熱硬化タイプにすること
により、密閉系内で硬化できるため好ましい。

特に、光硬化タイプの樹脂を用いることにより、熱によ
る影響を受けなく、短時間で硬化させることができ好ま
しい。

具体的な製法としては、従来の通常のツイストネマティ
ック液晶と同様にシール材を用いてセルを形成し、注入
口から未硬化のネマティック液晶と樹脂マトリクスとの
混合物を注入し、注入口を封止して後、硬化することも
できる。

また、本発明の液晶複合体の場合には、シール材を用い
な（、例えば、透明電極を設けた基板上に未硬化のネマ
ティック液晶と樹脂マトリクスとの混合物を供給し、そ
の後、全反射用誘電体多層膜及び透明電極を付着した光
伝導層を重ねて、光照射等により硬化させることもでき
る。もちろん、その後、周辺にシール材を塗布して周辺
をシールしてもよい。この製法によれば、単に未硬化の
ネマティック液晶と樹脂マトリクスとの混合物をロール
コート、スピンコード、印刷、デイスペンサーによる塗
布等で供給すれば良いため、注入工程が簡便であり、生
産性が極めてよい。

また、これらの未硬化のネマティック液晶と樹脂マトリ
クスとの混合物には、基板間隙制御用のセラミック粒子
、プラスチック粒子、ガラス繊維等のスペーサー、顔料
、色素、粘度調整剤、その他、本発明の性能に悪影響を
与えない添加剤を添加してもよい。

本発明で用いられる光伝導層は、ＣｄＳ、　ＣｄＳｅ。

Ｓｅ、　５ｅＴｅ、　ＧａＡｓ、　Ｂｉ＋ａＳｉＯ＊ｏ
、　Ｂｉ＋ａＧｅＯｘａ＋アモルファスシリコン膜など
光照射によりインピーダンスが大幅に変化する材料から
なる。

書き込み光照射時及び同光非照射時の光伝導層のインピ
ーダンスをそれぞれＺ。Ｎ、　ＺＯＦＦとし、液晶複合
体および全反射用誘電体多層膜のインピーダンスをそれ
ぞれＺＬＣ，Ｚｖとすると、本発明の空間光変調器は次
の関係をもつ。

Ｚ　ＯＦＦ　）　Ｚ　Ｌｃ＞Ｚ　ｏｓ＞　Ｚ　ｖ　　　
　　　（１）また、光伝導層の厚さ及び誘電率を１＋及
び１＋に、液晶複合体の厚さ及び誘電率なｔ２及びｃ８
に、さらに全反射用誘電体多層膜の厚さ及び誘電率なｔ
３及びε、に、それぞれ定めると、本空間光変調器は、 の関係をもつ。

次に、液晶の常光屈折率と樹脂マトリクスの屈折率とが
ほぼ一致しているタイプの液晶複合体の例に基いて、本
発明の空間光変調器の動作を説明する。

書き込み光がない場合には、（１）式より大部分の電圧
は光伝導層に印加され、液晶複合体の印加電圧は小さい
。従って、ネマティック液晶分子９は、樹脂マトリクス
１０の不規則な壁面に応じて、第２図（ａ）に示すよう
に様々な方向な向く、このときネマティック液晶は、該
液晶を囲む樹脂マトリクス１０の屈折率（ｎｐ）と異な
る屈折率（２ｎ６＋ｎＪ　／　３　　（ただしｎ６、ｎ
、はネマティック液晶の常光屈折率と異常光屈折率）を
持つ。

従って、読出し光は液晶複合体３中で散乱され、その出
力光強度は最小になる。次に、書き込み光が増大すると
、その強度に応じて光伝導層のインピーダンスが減少し
、液晶複合体に印加される電圧が増大する。書き込み光
強度が十分大きい場合、液晶分子の長軸は第２図（ｂ）
に示すように電界の方向を向き、液晶複合体に垂直に入
射した読出し光はネマティック液晶の常光屈折率ｎ、を
感じるｓｎ６はｎ、に極めて近い値を持つため、この場
合読出し光は散乱せずに透過し、素子透過後の読出し光
、即ち表示光の強度は最大になる。

本発明の光書込み型空間光変調器の他の構成を第３図に
示す。第３図の空間光変調器は第１図の空間光変調器か
ら全反射用誘電体多層膜を除いた構造を持ち、読出し光
８Ａ（もしくは８Ｃ）を基板側（もしくは光伝導層側）
から入射し、表示光８Ｂ（もしくは８Ｄ）を光伝導層側
（もしくは基板側）から出射するものである。

次に、−例として、第４図に示すようにネマティック液
晶（ｎｏ＝　１．５２５　、ｎ、＝　１．７７１　、誘
電率Ｅ　　：５．７、ｔ　、、＝２１．３　（夫々１　
ｋＨｚの駆動周波数の値））をアクリル樹脂（ｎ１１４
１．５２、誘電率ｇｐ→９．５）中に連通状に閉じ込め
た液晶複合体１１（厚さ２５μｍ）と、ＢｉｔｔＳｉＯ
＊ａ光伝導性結晶１２（厚さ１　ｍｍ）からなる空間光
変調器の特性を述べる。

第４図では、書き込み光７であるＡｒイオンレーザ光（
波長４８８ｎｍ）と、読出し光８ＡであるＨｅ　−Ｎｅ
レーザ光（波長６３３ｎｍ）が本空間光変調器に同時に
照射される。Ｈｅ−Ｎｅレーザ光は赤色光フィルタ１３
を透過し、全反射鏡１４で反射した後、本空間光変調器
を再び通過し、半透過鏡１５で表示光１６として読出し
光８Ａと分離される。

第５図に本空間光変調器の駆動電圧Ｖ０をパラメータと
する表示光強度と書き込み光強度の関係を示す。ただし
、駆動電圧の周波数は１ｋＨｚであり、書込み光の変調
周波数は６０Ｈｚである。

この特性はＮＴＳＣテレビ信号の２倍の（り返し周波数
（６０フレ一ム／秒）で静止画像を表示する場合のコン
トラスト比（ＩＩ／Ｉゎ）を示すものである０例えばＶ
、　＝７３Ｖ、、、では極めて高いコントラスト比（Ｉ
８／Ｉ。＞　５００）で、アナログ変調に好適なγの小
さい入出力特性を示すことがわかる。

この空間光変調器の表示光の立上り時間および立下り時
間は、ともに８ｍ５ｅｃ程度であり、ツイストネマティ
ック液晶を用いた従来の空間光変調器に比べて数倍程度
速い。また、分解能も従来の素子に比して遜色はない。

［発明の効果］ 本発明の空間光変調器では、■偏光子および検光子が不
要のため、表示画像が従来の偏光子および検光子を用い
る空間光変調器に比べ２倍明る（なること、■偏光子お
よび検光子の透過特性の波長依存性に基く色バランスの
不良が取り除かれること、および■配向処理が不要であ
り、液晶間隙の厳密な制御が不要であり、大面積の素子
製作が容易になることなどの特有の効果がある。

また、ツイストネマティック液晶や動的散乱モード型液
晶を用いた従来の光書込み型空間光変調器に比べて本空
間光変調器は、■応答速度が速い（本素子の立上りおよ
び立下り時間の合計は１６ｍ５ｅｃ程度であり、従来の
ツイストネマティック液晶を用いた光書込み型空間光変
調器の立上りと立下り時間の合計（５０ｍ５ｅｃ〜１０
０ｍ５ｅｃ）より格段に短かい）、■アナログ光変調に
好適（本素子はγの小さい入出力特性をもつ、方、従来
の空間光変調器のγは非常に大きくアナログ光変調に不
適当である。）、■コントラスト比（Ｉ　−／　Ｉ　ｒ
））が高い（本素子はＩｎ／ＩＯ＞５００と高い、一方
従来の空間光変調器のＩ　ｓ　／　Ｉ　ｏは数十以下で
ある）、などの特長を有する。

さらに、本発明に用いた液晶複合体は大面積化が容易で
あり、アモルファスシリコン膜を光伝導層に用いれば、
大型（１０ｃｍｘ　１０ｃｍ以上）の空間光変調器を容
易に製作することができ、水平、垂直方向とも３０００
ＴＶ本程度の高解像度画像を表示することも可能である
。一方、従来の空間光変調器では応答速度を向上させる
ため液晶膜の厚さを極めて薄（（１μｍ〜数μｍ）する
必要があり、素子の大面積化は困難である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光書込み型空間光変調器の一構成例を
示す斜視図、第２図（ａ）および（ｂ）は第１図の構成
要素の液晶複合体の動作を示す斜視図、第３図は本発明
の光書込み型空間光変調器の他の構成例を示す斜視図、
第４図は第３図の構成例の一実施例を示す斜視図、第５
図は第４図の実施例における表示光強度と書き込み光強
度との関係を示す実験結果、第６〜第１Ｏ図はそれぞれ
文献１〜５に記述されている従来の光書込み型空間光変
調器の構成を示す側面図。 ｌ二基板、 ２：透明電極、 ３：液晶複合体、 ４：誘電体多層膜、 ５：光伝導層、 ６：交流電源、 ７：書き込み光、 ８Ａ：読出し光 ８Ｂ：表示光 第　　１ 図 第 図 第 図 第 図 書込み光強度 ｍＷ／ｃｍ２ 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 Ｉ ｂ 第 図 ２ソ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ネマティック液晶の常光屈折率、異常光屈折率ま
   たは該液晶がランダムに配向した際の屈折率のいずれか
   と同等の屈折率を持つ樹脂マトリクス中に該液晶を閉じ
   込めた液晶複合体と、光を全反射する誘電体多層膜と光
   伝導層とを順次密着し、その両側に透明電極を付着した
   構造を持つ光書込み型空間光変調器。
2. （２）前記誘電体多層膜を除き前記液晶複合体と光伝導
   層を密着させたことを特徴とする請求項１に記載する光
   書込み型空間光変調器。
3. （３）前記液晶複合体中のネマティック液晶分子の長軸
   を印加電界方向とほぼ一致する方向に配列させるために
   必要な交流電圧の実効値よりも大きな実効値をもつ交流
   電圧で駆動することを特徴とする請求項１または２に記
   載する光書込み型空間光変調器。