JPH04130421A - 光書き込み型液晶ライトバルブ - 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、光プリンターの中間記録媒体、画像表示装置
、光シャフタ、画像処理装置、光情報処理システム等に
使用される光書き込み型液晶ライトバルブに関するもの
である。

〔発明の概要〕

本発明は、暗時には高抵抗率、光照射時には高い導電率
を示す高感度な光導電層と、適度な導電率と高い反射率
を有する誘電体ミラーとを組み合わせた光書き込み型液
晶ライトバルブに関するものである。

液晶ライトバルブに用いる光反射層は遮光層と増反射層
の機能を有する２種類の多層膜を組み合わせた誘電体ミ
ラーであり、遮光層の機能を有する多層膜は光吸収が大
きいＳｉとＧｅの化合物Ｓｉ−Ｇｅからなる層と５１０
２層とを交互に積層した誘電体ミラーで該５ｔ−Ｇｅは
その分子式をＳｉ＋−ＸＧｅ＋＋としたとき、０．１　
≦ｘ≦０．６０の組成とした。また、増反射層の機能を
有する多層膜は光吸収の小さな誘電体材料を用いた誘電
体多層膜ミラーである。

本発明による光反射層を有する光書込み型液晶ライトバ
ルブを用いる事により、読み出し光の損失が少なく、高
精細な画像表示が可能であり、書込み速度も速く動画表
示可能な光書込み型画像投射装置や光情報処理に用いら
れる空間光変調器などを提供する事ができる 〔従来の技術〕 従来より光情報処理、光パターン認識の研究においては
インコヒーレント光情報をコヒーレント光情報に変換す
るためや、光情報を空間光変調するため光書き込み型液
晶ライトバルブが数多く研究されてきた。

特に、反射型で光情報を読み出すような型の光書き込み
型液晶ライトバルブにおいては反射率が高く、液晶駆動
回路パラメータに適合した電気特性を持つ誘電体ミラー
としてＳｉ／ＳｉＯ２多層膜ミラーが応用されてきた。

その他にも反射率の高いＺｒ○ｚ　／　Ｓ　ｉ　Ｏ□。

Ｓ　４０．／Ｔｉ１ｔ　、ＺｎＳ／ＭｇＦｚなどの組合
せによる誘電体ミラーを形成する研究が試みられてきた
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のような従来のＳｉ／ＳｉＯ７で誘
電体ミラーを作製した場合では、ミラー面内方向での比
抵抗が低すぎるため、光を照射すると強誘電性液晶層の
全面に電圧が印加されたり、その度合によって画像がぼ
けたり、むらができたり、画像を書き込む事ができなか
ったりするため、解像度を上げることができないという
問題があった。また、反射型で光情報を読み出すような
型の光書き込み型液晶ライトバルブにおいては反射率を
より高くし、読み出し光に対する遮光性を増さなければ
ならないという問題点があった。また、光導電膜である
水素化アモルファスシリコン（後述ではａ−３ｔ：Ｈと
記号で表す）と誘電体ミラーの半導体接合によっても上
記と同様な特性を示すという問題点があった。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を解決する為に本発明は、光反射層の反射率
および遮光性を増すため、光反射層を遮光層と増反射層
の２種類の機能を有する多層膜の組合せの構造である誘
電体ミラーとした。該遮光層には、Ｓｉに比べて比抵抗
が大きく、光吸収の大きなＳｉ−ＧｅとＳｉｎ、とを交
互に積層し、増反射層には光吸収の小さな誘電体材料を
用いた高反射率の誘電体多層膜ミラーを用いた。すなわ
ち、５ｊ−ＧｅとＳｉｎ、との対を用いて光反射層を構
成することにより、ＳｉとＳ　ｉ　Ｏｔとの対を用いて
光反射層を構成する場合に比べて、該光反射層の比抵抗
を高くし、読み出し光に対する遮光性がよくなるため、
より解像度が高く、読みだし光の光導電層に対する影響
の少ない光書き込み型液晶ライトバルブを構成すること
ができ上記問題点を解決した。

また、増反射層を設けることにより、読み出し光に対す
る高い反射率を実現し、読み出し光損失の小さい光書き
込み型液晶ライトバルブとすることができ上記問題点を
解決した。

さらに、光導電膜であるａ−３ｉ：Ｈと誘電体ミラーの
半導体接合をなくす為、ａ−３ｉ：Ｈの上には絶縁膜で
あるＳｉｎ、を形成し、その上に誘電体ミラーを形成す
ることにより、ａ−８ｉ：ＨとＳｉ−Ｇｅの半導体接合
を回避し、上記問題点を解決した。

［実施例］ 第１図は、暗時には高抵抗率、光照射時には高い導電率
を示す高感度な光導電層と、適度な導電率と高い反射率
を有する誘電体ミラーを組み合わせた本発明の光書き込
み型液晶ライトバルブの構造を示す断面図である。

本実施例においては、先ず透明基板１ａ、ｌｂとして透
明ガラス基板を用意し、１ａと１ｂの外側表面には無反
射コーティング６ａ、６ｂを形成した。透明電極層２ａ
、’ｌｂとして、前記透明基板１ａと１ｂの内側表面に
ＩＴＯ透明電極層を形成した。

また、光書き込み側透明電極層２ａ上には、ＳｉＦ、を
生体とするガスを放電分解して厚さ２〜３μｍのイント
リンンノクなａ−３ｉ：Ｈを形成し、光導電層４とした
。

さらに、前記光導電層上に、Ｓｉ−Ｇｅ層とＳｉＯ２層
を交互に６層反復積層して遮光層７を形成した。その上
に、ＴｌＯ２層と３４０２層を６層反復積層して増反射
層８とした。これら増反射層８と遮光Ｎ７が、本発明の
液晶ライトバルブの光反射層を構成する。また、前記増
反射層８及び投影側の透明電極２ｂの上に、−酸化珪素
（ＳｉＯ）を基板の法線方向に対して８２度の角度で且
つ蒸着の法線方向にセットした膜厚計で２００ｎｍの厚
さに斜方蒸着して液晶配向層３ａ、３ｂを形成した。透
明基板１ａ、ｌｂはその配向膜層３ａ、３ｂ側を対向さ
せ、直径１゜５μｍのグラスファイバーを加えた接着剤
よりスペーサ９を介して間隙を制御、形成し、強誘電性
液晶層５を挟持するようにした。封入した強誘電性液晶
組成物は、エステル系ＳｍＣ液晶混合物として、４　（
（４″−オクチル）フェニル）安息香酸（３′−フルオ
ロ、４″−オクチルオキシ）フェニルエステルと、４−
１４°　−オクチルオキシ）安息香酸（３゛フルオ０．
４”オクチルオキシ）フェニルエステルを１：１に混合
したものを用い、これに光学活性物質として５〜オクチ
ルオキンナフタレンカルボン酸、１゛−シアノエチルエ
ステルを、２５重量％を加えて強誘電性液晶組成物とし
たものを用いた。もちろん、本発明の液晶ライトバルブ
に前記強ｖ？Ｊｔ性液晶組成物以外の液晶組成物を用い
てもよいことは言うまでもない。

第２図は、第１図の増反射層８と遮光層７近傍を拡大し
て示したものであり、本発明に関する光反射層の構成を
示す断面図である。光導電層４の上にＳｉ−Ｇｅ層１５
を約５８ｎｍとＳ　ｒ　Ｏｚ層１４ａを約８９ｎｍとの
対をｎ回繰り返しくｎは自然数）、その上に前記Ｓｉ−
Ｇｅ層と同一組成のＳｉ−Ｇｅ層１５を約５８ｎｍ形成
した遮光層７と、該遮光Ｎ７上にＳ　ｉＯｔ　ｊｉＦ　
１４　ｂを約９４ｎｍとＴ　ｒ　Ｏｚ層１３を約６０ｎ
ｍとの対をｍ回繰り返した（ｍは自然数）増反射Ｍ８を
組み合わせた構造である。これら遮光層７と増反射層８
を構成する各層の膜厚は、所定の光の波長λに対するメ
／４膜（膜厚＝λ／　４　ｎ　：　ｎは各層の屈折率）
となるように設定するのが好ましい。

光導電層４としては、第１図の実施例で説明したのと同
様にして作製されたａ−３ｉ：）（を用いた。さらに、
前記遮光層７と増反射層８は電子ビーム加熱による真空
蒸着法を用いて作製した。また、Ｓｉ−Ｇｅ層１５は、
Ｓ　ｉ　０．５９Ｇ　ｅ　Ｏ，４１の組成の薄膜とした
。ただし、前記Ｓｉ−Ｇｅ層１５の組成は、オージェ分
光分析法を用いて、核層を組成分析して求めた値である
。なお、前記遮光層７あるいは増反射層８の作製方法と
しては、真空蒸着法以外にもスパッタ法や化学的気相成
長法などを用いてもよいことは言うまでもない。

また、光導電層４としてのａ−３ｉ：Ｈと遮光層７との
間には、絶縁層１２としてＳｉＱｔを挟持した。これに
より、光導電層４と遮光層７に用いたＳｉ−Ｇｅ層１５
との半導体接合を回避した。

これによって面内方向での比抵抗が低すぎるために生し
る、光を照射すると全面に電圧が印加されたり、記録さ
れた画像かにじんで解像度が劣下する現象を防ぐことが
できた。今回は絶縁層１２にＳｉｎｇを用いたが、他に
Ｇｅ○ｚ　、　Ｔ　ｒ　Ｏｘ、ＡＩ、Ｏ□などの絶縁層
を用いることが可能である。

第３図は、本発明に用いたＳｉ−Ｇｅ層に用いたＳ　ｉ
　−Ｇｅ薄膜の組成比に対する比抵抗の特性を示したも
のである。なお、該Ｓ　ｉ　−Ｇｅｍ膜は上記のように
電子ビーム加熱を用いた真空版着法で作製したものであ
る。本発明の液晶ライトバルブの強誘電性液晶の比抵抗
は、１０目〜１ｏ１２Ωχ。Ｔ：ａ−３ｉ：Ｈの比抵抗
は明暗ではｌＯＳΩＸ　ｃｍ、暗時では１０”　〜１０
”Ωχ。であり、液晶ライトバルブを駆動するには誘電
体ミラーの比抵抗は１０９〜１０１０Ωχ。とするのが
好ましい。横軸にＳｔ＋−ｘＧｅ、ｌの組成比Ｘを取り
、縦軸にその組成時の比抵抗ρを取った。第３図より誘
電体ミラーの比抵抗が１０９〜１０Ｉ０Ωχ。になる時
は組成比Ｘが０．２５〜０．５０の時であることがわか
った。第３図の実線で示す特性においては、Ｘの値は上
記の範囲で変化しているが、Ｓｉ、−ウＧｅ、の比抵抗
が蒸着条件、すなわち蒸着真空度や基板温度や蒸着レー
トなどにより図中のＡｖＡとＢｌの範囲で変動すること
がわかったため組成比は０．１≦ｘ≦０．６０とするの
が好ましいものと思われる。

第４図は、本発明の液晶ライトバルブに関する光反射層
の分光特性と従来の光反射層の比較を示したグラフであ
る。第４図において、１６は本発明に関する光反射層の
分光反射率、１７は本発明に関する光反射層の分光透過
率、１８は従来の光反射層の分光反射率、１９は従来の
光反射層の分光透過率を示す曲線である。従来の光反射
層としては、ガラス基板上に、膜厚が各々約５８ｎｍと
約８９ｎｍのＳｉ層とＳｉＯ□層の対を７回繰り返した
上に、膜厚が約５８ｎｍのＳｔ層を形成したものを用い
た。また、本発明に関する光反射層としては、ガラス基
板の上にＳｉ−Ｇｅ層を約５８ｎｍとＳｉｎ！層を約８
９ｎｍとの対を３回繰り返し、その上に前記Ｓｉ−Ｇｅ
層と同一組成のＳｉ−Ｇｅ層を約５８ｎｍ形成した遮光
層と、該遮光層上にＳｉｎ、層を約９４ｎｍとＴｉＯ□
層を約６０ｎｍとの対を３回繰り返した増反射膜８を組
み合わせた構造のものを用いた。第４図に示す所定の波
長において、本発明に関する光反射層の分光反射率は９
９．９５％以上であり、分光透過率は０．０５％以下で
あり、従来の光反射層の同一波長における分光反射率８
６％および分光透過率０．１８％と比較して、極めて優
れた特性を有していることがわかった。このように本発
明に関する光反射層を用いることにより、所定の光の波
長に対して、分光反射率が高く、分光透過率の低い光反
射層を形成することが可能となり、従来の光反射層を用
いた液晶ライトバルブよりも強い読み出し光を照射しな
がら画像の書き込みを行っても、該読み出し光は液晶ラ
イトバルブを構成する上記光導電層に影響を与えること
なく前記画像の書き込みを行うことができた。

また、本発明に関する光反射層を用いた光書き込み型液
晶ライトバルブを用いて解像度チャートの画像の書き込
み・読み出しを行ったところ、限界解像度約１５０１ｐ
／ｍｍという極めて高い解像度を得た。従来の光書き込
み型液晶ライトバルブにおいては、光反射層を形成する
と、その解像度が極めて悪くなることが知られていたに
もかかわらず、本発明に関する光反射層を用いた光書き
込み型液晶ライトバルブは、強誘電性液晶を用い、光反
射層を有しない従来の光書き込み型液晶ライトバルブと
ほぼ同じ解像度を持っている。これは、本発明に関する
光反射層が、従来の光反射層に比べて少ない膜層数で高
い分光特性を実現することができるために、該光反射層
面内での電荷の散逸がより少ないことと、該光反射層の
比抵抗が上記のように適切な値を持っているためにイン
ピーダンス整合が優れているためと推測できる。

本発明による光書き込み型液晶ライトバルブに画像情報
等をＬＤやＬＥＤ等を用いて書き込む場合は、先ず第一
に液晶ライトバルブの全面に光照射を行い動作しきい値
電圧よりも十分に大きな直流電圧を印加する、もしくは
光照射を行わない場合には暗時の動作しきい値電圧より
も十分に大きい直流バイアス電圧を印加して強誘電性液
晶を一方向の安定状態に揃え、その状態でメモリさせる
工程を行う。

次に、光照射を行わないで、暗時には動作しきい４ｒＬ
電圧以下であり、光照射時には動作しきい値電圧以上と
なる逆極性の直流電圧を与えておき、レーザビームやＬ
ＥＤ等の光書き込み手段を用いて投射表示したい画像情
報を光で書き込む、ここで用いている光導電層は７００
〜８５０ｎｍの波長の光に対して十分高い感度を有して
いるため、例えば７８０ｎｍの中心波長を持つ半導体レ
ーザを照射すると光照射を受けた光導電膜１５はキャリ
アを発生して低抵抗状態となり、印加されていたバイア
ス電圧は抵抗分割された形で液晶層に印され液晶分子を
励起する。光照射を受けない領域は高抵抗を保持したま
まであり、従って液晶分子には殆ど電圧が印加されない
ため液晶分子は励起されず、この結果光照射部と非光照
射部の液晶分子の配列方向を異にしたままメモリされる
事になる。

この様にして書き込まれた画像情報は、偏光子を通った
直線偏光の投射光を照射すると反射層で反射され、検光
子を通ってスクリーン上に投射表示される。偏光子、検
光子に偏光度９９．９％、単体透過率３８％の偏光板を
用いて、双安定状態間でのコントラスト比を測定したと
ころ、４００；１以上の極めて高い値を示した。双安定
性及びメモリ性を持たないＴＮ型、ＤＳＭ型等の液晶表
示モードでは、液晶分子は直接液晶分子に印加された電
圧によって反射光量が変調される事になるが、その画像
保持時間は究めて短い。

上記の光書き込み型液晶ライトバルブの動作方式は、画
像の書き込みあるいは（および）読み出しに、ヘリウム
ネオンレーザやアルゴンレーザなどのガスレーザを用い
たり、ＹＡＧレーザなどの固体レーザを用いてもよいこ
とは言うまでもない。

一方、本発明によれば光反射率は、その動作しきい値特
性、双安定メモリ性から中間調をとり得ず１か０となる
が、書き込まれた画像は、外部からの動作しきい値電圧
以上の電圧印加あるいは強い圧力等を受けぬ限り、半永
久的に保持される事になる。画像を形成後電圧をオーブ
ン状態にして３日後再度測定したところ殆どコントラス
ト比が変化しておらず極めて優れたメモリ性を有してい
る事も確認されている。

次に、本発明の液晶ライトバルブの応用例としてインコ
ヒーレント・コヒーレント変換器とする場合について説
明する。この場合、第１図の光導電層４としてＣｄＳを
真空蒸着したもの、もしくはＳｅ、５ｅＴｅ等、あるい
は有機物、また、機能分離型の多層構成のものを使用す
る。その他の構成は前述のものと同しものであるので、
その説明を省略する。

上記のようなインコヒーレント／コヒーレント変換器に
よれば、セル外面からのインコヒーレントな書き込み光
によって強誘電性液晶層に像形成が行われ、書き込みに
より形成された像は、あらかしめ書き込み時の印加方向
と逆の電界印加により揃えられた液晶分子の配向方向（
またはそれに直角方向）に偏光軸を合わせた偏光子を通
したコヒーレントな投影光の照射、及び、全消去時の反
射光の偏光方向に直角（または平行）な方向の検光子を
通した投影により読み出すことができる。

また、第１図において、本発明の液晶ライトバルブを高
速に動作させようとする場合は、書き込み光と読み出し
光を常に照射しながら透明電極層２ａ側の電圧極性が正
、負、零電圧の順に繰り返されるようなパルス電圧を、
透明電極層２ａおよび２ｂ間に連続して印加し、正電圧
時に消去、負電圧時に書き込み、読み出し、零電圧時に
読み出しが行われるような駆動方式を用いるのが好まし
い。この書き込み時には、ａ−３ｔ：Ｈ光導電層４には
、書き込み側、読み出し側両面に電子、正孔対が発生し
ていることになる。ａ−３ｉ：Ｈ光導電層の場合には、
電子の易動度は正孔の易動度よりも数倍から数十倍大き
く、光伝導現象は電子が支配的となっている。そのため
、この液晶ライトバルブの透明電極層に、透明電極層２
ａ側の電圧極性が正、負、零電圧の順に繰り返されるよ
うなパルス電圧を印加しておくと、該液晶ライトバルブ
の両端に印加されているパルス電圧の透明電極２ａ側の
極性が正の場合は、読み出し光によって発生した電子が
キャリアになって透明電極２ｂ側へ移動し、強誘電性液
晶分子を全面反転させることになり、前記極性が負の場
合は、書き込み光を受けた領域で発生した電子は液晶側
に向かって移動し、結果的にその領域の強誘電性液晶分
子のみが逆極性に対応した安定状態に反転し所望の画像
を記録できることになる。しかしながら、ａＳｉ　：Ｈ
光導電層４に到達する読み出し光の強度が強すぎると、
パルス電圧の透明電極２ａ側の極性が負の場合でも、該
読み出し光の照射されている領域全面に渡って該光導電
層の膜深部に過剰の正孔を発生せしめる。その結果、該
光導電層には、書き込み光が照射されている領域のみな
らず、読み出し光が照射されている領域にも液晶側に電
子が移動し、前記液晶ライトバルブ全面が書き込み状態
となる。したがって、前記光導電層に到達する読み出し
光強度は所定の値よりも小さいことが要求される０例え
ば、第１図に示した構成の液晶ライトバルブを用いた場
合に、ヘリウムネオンレーザを用いて強度１６０μＷ／
ｃｍ２の書き込み光を用いるならば、読み出し光強度は
６０〜７０μＷ／ｃｍ２以下であることが望ましいこと
がわかっている。　しかしながら、光情報処理に用いら
れるインコヒーレント／コヒーレント変換器などの空間
光変調器あるいは画像投影表示装置等に光書き込み型液
晶ライトバルブを応用しようとする場合は、読み出し光
として１〜１００ｍＷ／ｃｍ２程度の強い光を用いる場
合が多い。第４図１８と１９に示すような従来の光反射
層を有する光書き込み型液晶ライトバルブを用いる場合
は、１〜４０ｍＷ／ｃｍ２程度の読み出し光しか用いる
ことができず、上記仕様を完全に満足させることができ
ない。しかしながら、本発明に関する光反射層を用いた
光書き込み型液晶ライトバルブでは、第４図１６と１７
かられかるように、１４０ｍＷ／ｃｍ２以下の読み出し
光であれば用いることができ、上記仕様は満足される。

双安定性及びメモリ性を持たないＴＮ型、ＤＳＭ型等の
液晶を本発明の光書き込み型液晶ライトバルブに適用さ
せる場合にも、上記と同様の問題が生じる。この場合は
該光書き込み型液晶ライトバルブはメモリ特性を持たな
いために、書き込み光と読み出し光を同時に照射して使
用しなければならないためである。しかしながら、上記
と同様の理由によって、該問題は本発明に関する光反射
層を用いることにより回避することができる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明の反射率および遮光性が高
い光反射層を有する光書き込み型液晶ライトバルブによ
れば、反射率および遮光性が高くコントラスト比が大き
い上に、応答速度が速いためレーザー光などによる高速
書き込みが可能で、解像度の高い液晶ライトバルブが作
製できる。そのため、解像度が高く、大面積で高速なイ
ンコヒーレント・コヒーレント変換器などの空間光変調
器、及びコントラスト比が大きく、高速にレーザーなど
の光でアドレッシングが可能であり、消去書き替えが可
能で、かつバックアップを源が不要な高密度光双安定メ
モリが実現でき、もって光プリンターの中間記録媒体、
画像表示装置、光シヤツター、可干渉光相関システムそ
の他の画像処理装置、光情報処理・計測システム等の性
能・応用範囲を飛躍的に増大せしめるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光書き込み型液晶ライトバルブの構成
を示す断面図、第２図は本発明に関する光反射層の構成
を示す断面図、第３図は本発明に関する光反射層に用い
たＳｉ−Ｇｅ層であるＳｉ＋−ｘａｅｘの組成比Ｘに対
する比抵抗ρの関係を示すグラフ、第４図は本発明に関
する光反射層の分光特性を示すグラフである。 Ｉａ、Ｉｂ・・・透明基板 ２ａ、２ｂ・・・透明電極層 ３ａ、３ｂ・・・配向膜層 ４・・・光導電層 ５・・・強誘電性液晶層 ６ａ、６ｂ・・・無反射コーティング層７・・・遮光層 ８・・・増反射層 ９・・・スペーサ １０・・・書き込み光 １１・・・読み出し光 １２・・・絶縁層 １３・・・Ｔｉ０２層 １４・・・ＳｉＯ□層 １５　ａ、　１５　ｂ−Ｓｉ　−Ｇｅ層１６・・・本発
明に関する光反射層の分光反射率１７・・・本発明に関
する光反射層の分光透過率１８・・・従来の光反射層の
分光反射率１９・・・従来の光反射層の分光透過率以 上

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビーム、ＬＥＤなどの光による書き込み手
   段と、光導電層、光反射層、液晶配向層、液晶層、電圧
   印加手段が形成された光書込型液晶ライトバルブにおい
   て、上記光反射層は遮光層と増反射層の機能を有する２
   種類の多層膜を組み合わせた誘電体ミラーであることを
   特徴とする請求項１記載の書き込み型液晶ライトバルブ
   。
2. （２）該光反射層の遮光層の機能を有する多層膜はＳｉ
   とＧｅとの化合物Ｓｉ−Ｇｅからなる層とＳｉＯ＿２層
   とを交互に積層した誘電体ミラーで、該Ｓｉ−Ｇｅはそ
   の分子式をＳｉ＿１＿−＿ｘＧｅ＿ｘとしたとき、０．
   １≦ｘ≦０．６０の組成である請求項１記載の光書き込
   み型液晶ライトバルブ。
3. （３）増反射層の機能を有する多層膜は光吸収の小さな
   誘電体材料を用いた誘電体多層膜ミラーであることを特
   徴とする請求項１または２記載の光書き込み型液晶ライ
   トバルブ。
4. （４）該光導電層と該遮光層の間に絶縁層を有すること
   を特徴とする請求項１、２、３記載の光書き込み型液晶
   ライトバルブ。