JPH05507364A - 高解像度光バルブ - 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】 高解像度光バルブ 及咀二！１ １、！を集土の利用分野 本発明は光学装置の分野に関し、特に光を増幅するための光パルプに関する。

２、関連出願との関連の記載 本出願は「高性能光バルブ」の名称で　に出願の係属出願連続番号第一□号の関 連出願である。

３、従来の技術 光を増幅するための多様な構造が従来から公知である。光を増幅するための装置 は１９世紀の後半から知られており、面積を基準にして光を増幅するこれらの装 置は一般に光バルブと呼ばれている。例えばバウマン他に付与された米国特許明 細書系２，８９２，３８０号は光学的に投射された画像からの光を増幅する装置 を構成する層構造を開示している。バウマン他の′３８０号特許では、ガラス担 体に透明な導電性金属薄層の電極を配置した装置が開示されている。この電極上 に適宜の厚さの光導電層が配置されている。この光導電層上には、非導電性の鏡 層を存する薄い、光吸収性の電気絶縁層が配置されている。鏡層の上部には電気 的カー効果を有する物質の層が配され、この層は可変的な電界に晒されると変化 する最適な屈折率を有している。この層の上部には電気層を設けたガラス板が配 されている。このように、鏡層は、制御光線が加えられる光導電層と、光源から の制御光線が鏡へと通過し、鏡によって電気的カー効果を有する層を経て反射さ れる構成の、電気的カー効果を有する層との間に位置している。バウマン民地の ゛　３８０号公報に開示されているこの構成は今日の光バルブの本質的特徴を説 明する際の基礎になる。米国特許明細書系３，５９２，５２７号（コナース他） は反射された周囲光線を利用して投射された放射パターンをディスプレーするた めのネマティック液晶層を使用したディスプレー装置を開示している。光ｌ旬し ブの連続的な利用はベアード他に付与された米国特許明細書系３．８２４，００ ２号に記載されており、この特許では改良形の光起動液晶光ノ＜ルブが開示され ている。ベアード他の′　００２号公報の特許では、光バルブの導電素子は種々 の絶縁層によって液晶層から分離されている。

ｗ、ｐ、ブレハ、Ｊｒ、他によって１９７５年１月６日に出願され、現在は破棄 されている特許出願連続番号箪５３８，３８１号には液晶材料が不活性絶縁層と 接触している別の構造が記載されている。外部の書き込み光線に応答して光応答 層が液晶上に印加された電界を変調し、一方、それによって液晶の複屈折的な光 活性が生ずる。複屈折のこのような変化は直線的に（又は円形に）ＩＩ光する読 出し光線の偏光状態を変化させるために利用される。ブレハ他の出願は更に、３ 原色のそれぞれについての光バルブの透過性をそれぞれ表すＩ［屈折液晶の応答 特性を記載している。適宜な電圧を印加することによって、ペルハ民地の構造に よってカラー投射能力が得られる。更に、ヤコブソン他に付与された米国特許明 細書系４，１２７，３２２号には３反射式の交流励振電界効果モードの複屈折液 晶を使用した光バルブのセットによって、プログラム源から大工のディスプレー ・スクリーンに輝度が極めて高いオールカラーの画像をリアルタイムで投射する ための電子光学式システムが開示されている。更に、米国特許明細書系４，０１ ９゜８０７号（ボスウェル他）には、ハイブリッド電界効果モードを有する反射 性液晶光バルブが開示されている。ボスウェル民地の′８０７号特許の液晶は混 成電界効果モードで動作し、暗転状態を生ずるためにねん回ネマティフク効果を 利用し、明転状１を生ずるために光学的複屈折効果を利用する。このように、液 晶は応答して固定化した（コヒレントな）読出し光線、すなわち投射光線の偏光 を非固定的な画像へと変調する。

前述の説明から明らかであるように、従来から種々の光バルブの設計が公知であ る。しかし、従来の光パルプの切換え特性は極めて限定されているので、従来の 光バルブをビデオ投射装置に利用するには重大な制約がある。例えば、運動をデ ィスプレーするビデオ投射装置の場合、人間の目が運動を充分に知覚するには画 像は一般に毎秒２４回変化する必要がある。従来の光バルブの切換え特性が限定 されているので、解像度と光バルブの増幅性能が著しく制約され、活用できるグ レー・スケールの効果が削がれてしまう。

光バルブの基本的な特徴は光バルブのモジュレータ媒体を横切る光ビームを変調 することである。ビームの変調は、これまでは書き込み光線と呼ばれた入力光信 号によって制御される。この光信号入力が光入力に対応する電界を変化させる光 導電面と結合される。このようにして、変調の誘導はモジュレータによって増幅 され、変調された出力を供給する、主要ビームから光学的に絶縁された光導電体 を用いて行われる。従来の光ノ旬しブの解像度には制約があり、代表的にはミリ メートル当たり約４０対のライン（Ｉ＋）／ｍｍ）の解像度で画像を増幅するこ としかできない。

従って、従来の光バルブによって得られるよりも高い解像度を提供できる光増幅 用光バルブが必要であることが理解されよう。

′　の′の 米国特許明細書及び特許出願： １、米国特許明細書系２，８９２，３８０号（バウマン他）２４米国特許明細書 第３，５９２，５２７号（フナーズ他）３、米国特許明細書系３，８２４．００ ２号（ベアード他）４、米国特許明細書系４，１２７，３２２号（ヤコブソン他 ）５、米国特許明細書系４，０１９，８０７号（ボスウェル他）６、米国特許明 細書系３，９７６．３６１号（フラース他）７、米国特許明細書系４，３４３， ５３５号（ブレハ、Ｊｒ、）８、米国特許明細書系３，６６３，０８６号（アソ ウリン他）９、米国特許明細書系３．７２３，６５１号（ゴローグ）】０．米国 特許明細書系３，７４４，８７９号くベアード他）１１、米国特許明細書系３， ７３２，４２９号（ブラウンンニタイン他）１２、米国特許明細書系３，７３６ ，０４７号（ゲルパー他）１３、米国特許明細書系３，７００，３０６号（カー トメル他）】４．米国特許明細書系３，６９４，０５３号（カーノ）Ｉ５、釆国 特許明細書！３，６２５，５９１号くフレーザー他）１６、米国特許明細書系３ ，５９２，５２７号（コナーズ他）】７．米国特許出願連続番号第５３８，３８ １号（１９７５年１月６日出願、現在は破棄） 論文その他の参考文献： １、Ｄ、Ｂ、　フレーザー、Ｈ，メルヒャー共著ｒ＊＊の厚さ全体に亘って先導 電性が高いスパッタ溶着ＣｄＳ薄膜」　（応用物理学ツヤ−ナル第４３巻第７号 、１９７２年７月刊、３１２０−７ページ ２、Ｓ、Ｍ、ジャレット他著ｒＲＧＢカラー・スタイブを有する液晶光バルブ」 （情報ディスプレー協会、１９８６年度紀要、３８３−４ページａ、ｗ、ｐ、ブ レハ他著「光学エンジニアリング」第１７巻第４号、１９７８年７−８月刊、３ ７１−３８４ページ ４、グローブ著「半導体素子の物理と技術」　（ウィリー・プレス、１９７６年 刊、１５６−１６３ページ ５、ベアード他著「交流液晶光バルブ」　（応用物理学紀要第２２巻第３号、９ 〇−９２ページ、１９７３年２月号 ６、Ｄ、カサセント著「空間的光モジュレータ及び光学式データ処理におけるそ の応用Ｊ　（ＳＰＩＥ第１２８巻、レーダ・システムにおける光学の有効利用、 １９７７年刊、５６−６７ページ ７、Ｗ、Ｒ，Ｏ−チ著「電子光学式光バルブの解像度Ｊ　（ＩＥＥＥ会報、電気 部門ＥＤ−２１巻第８号、１９７４年８月刊、４５３−４５９ページ８、マツモ ト他著「混成調心ネマティック液晶の電界誘発による変形：新規の多色液晶ディ スプレー」　（応用物理学ジャーナル、策４７巻第９号、１９７６年９月号、３ ８４２−５ページ 良吸４Ａ！ 本発明は２層フォトコンダクタ構造と２層液晶とを組み入れた光バルブを開示す るものである。光バルブは面積を基準にして液晶の切換えを最適化することがで きる電荷分離領域と電荷生成領域とを有するフォトコンダクタを使用している。

電荷生成領域はｎ−ｐ−ｎ接合があるために高い電界が存在する狭い物理的領域 に光吸収を集中する。光パルプはフォトコンダクタ構造の狭い逆バイアス領域で 明と暗のキャリヤ密度によって支配される切換え特性を有している。

本発明の先バルブのフォトコンダクタ構造で分離した電荷生成層と分離した電荷 分離層とを使用することによって、４つの重要なパラメータが得られ、このパラ メータの向上によって従来の光バルブと比較して性能と解像度が高い光バルブが 達成される。上記の４つのパラメータとは、（１）正と負の自由キャリヤの生成 と、その再結合との遅延時間が長いこと、（２）電荷を移動するために電界を利 用できること、（３）ドリフト経路が長いこと、及び（４）ドリフトの移動度が 高いことである。更に、この光バルブは切換えが反射媒体に隣接する狭い能動領 域で行われる２層液晶をモジ−レータとして使用している。鏡／光プロ、り層の 組合せに隣接する狭い領域に集中したフォトコンダクタの吸収領域と、液晶の切 換え領域とを有することによって、光バルブの光吸収領域の全てと、光切換え領 域の全てが互いに近接して配置されている・２層液晶によって、達成可能な解像 度が向上する更に３つのパラメータが得られる。解像度が向上するための３つの パラメータは次のとおりである。（１）光吸収と光切換え領域の一致、（２）吸 収と切換えの空間的な広がり、及び（３）材料の選択による画像の完全性の確保 。更に、好ましい実施例はハイブリ、ドに調心されたネマティ１り液晶モジュレ ータを使用している。

麗ｉ立！星望量更 図１は従来形の光バルブの構成図である。

図２は図１の従来形の光バルブの等価回路である。

図３は図１の従来形の光バルブの単層のフォトコンダクタ体の物理的構成図であ る。

図４は本発明の２層フォトコンダクタ体を使用した光バルブの構成図である。

図５は図４の光バルブの等価回路である。

図６は図４の光バルブのフォトコンダクタ構造の物理的構成図である。

図７は図４の光バルブ用の電圧を生成する回路部品を示した等価回路である。

図８８は平衡状管での電荷分離を示した説明図である。

図８ｂは本発明のフォトコンダクタ構造に入り光束が存在する場合の電荷分離を 示した説明図である。

図９は本発明のハイブリッド調心ネマティック液晶上ノコレータの構成図である 。

図１０は２層フォトコンダクタ体と２層液晶モノ二レータとを使用した本発明の 光バルブの構成図である。

及肌恋１１餐脱咀 本発明は従来形の光バルブよりも高い解像度を達成するために光吸収領域と光切 換えスイッチ領域とが互いに近接することが可能な光バルブ装置を開示するもの である。以下の説明では本発明を完全に理解するために材料の全体的な特性や、 回路パラメータ等のような多くの特定の詳細データを開示する。しかし、本発明 はこのような特定の詳細なデータがなくても実施できることが専門家には理解さ れよう。別の場合には本発明を不要に曖昧にしないために公知の方法及び構造は 開示していない。

更に、本発明の光パルプによって達成される進歩を説明するために、先ず従来形 の光バルブの概要を説明する。引き続いて、本発明の２層フォトコンダクタを説 明し、その後本発明の２層モジ；レータを説明する。

嚢來盆後亜 図１を参照すると、従来の代表的な光バルブ装置の物理的な構造が図示されてお り、この装置の動作に必要な基本的な機構が示されている。図面では種々の層を 分離して図示しているが、これらの層は実際には互いに上下に形成されているこ とが理解されよう。図１の従来形の光バルブｌＯは基本的に前述のバウマン他の 特許（米国特許明細口笛２，８９２，３８０号）に記載の光バルブである。透明 な電極１２がガラス基板ｌｌ上に配置されている。１ｉ極１２上には適宜の厚さ のフォトコンダクタ層１３が配置されている。更に、フォトコンダクタ体１３上 には光ブロック１４が配置されている。引き続いて、光ブロック１４上には鏡１ ５が配置されている。次に、モジュレータ層１６が鏡１５上に配置され、その上 に第２の透明電極層１８と第２のガラス体１７とが続いている。フォトコンダク タ１３の感光面とモジュレータ１６とを起動するために電圧源１９が２つの透明 電極１２と１８との間に電圧を印加する。動作の際には、入力光信号２ｏがガラ ス基板１１と透明電極１２とを通過し、フォトコンダクタ１３に透過する。フォ トコンダクタ１３に入射する光線２０の光量が層１３，１４，１．５及び１６に 亘る電界の電位を制御する。この電界に応じてモジュレータ層Ｉ６の屈折率が対 応して変化する。

出力端で光源は光を層１７．１８及び１６を通して投射し、鏡１５から反射する 。この光線はモジュレータ１６によって変調され、この変調は電界によって制御 される。このようにして、フォトコンダクタ１３に入射した光線２０は出力光＠ ２１を制御し、この出力光線は観察面へと再反射される。フォトコンダクタ層１ ３に入射する入力光線２０の面積毎の光量はモジュレータ１６による変調を制御 して、対応して面積毎に増幅された光信号２１を供給し、この光信号が観察面に 再反射される。光バルブ用の代表的なモジュレータは液晶から成っている。

このような従来形の液晶材料では、整列層（すなわち表面処理ＩＩ）はＭ１１５ とモジュレータ１６との間、及びモジュレータ１６と透明電極１８との間に形成 される。

図２に図１の従来形の光バルブ１００等価回路３０が図示されている。この等価 回路３０は図１の従来形の光パルプに対応した回路を分析するためのものである 。液晶モジュレータ１６は容量Ｃ１を有するコンデンサ３２と並列の、抵抗値Ｒ １を有する抵抗３１として示されている。はとんどの液晶の容量Ｃ１は分子の微 妙な配向によって変化するので、コンデンサ３２は可変コンデンサとして図示さ れている。更に、現在のほとんどの液晶では抵抗Ｒ１によって示された漏れ抵抗 は一般に極めて高いので、この漏れ電流は無視できるものである。

液晶１３に隣接して鏡１５がある。ｌ１ｌ１５は抵抗Ｒ２を有する抵抗体３３と 、容置Ｃ２を有するコンデンサ３４との並列構造によって表されている。この場 合も鏡１５の漏れ抵抗Ｒ２は充分に高いので、鏡１５内の実際の漏れ電流は無視 できる。鏡１５と光ブロック層１４に隣接してフォトコンダクタ１３がある。フ ォトコンダクタ１３は抵抗Ｒ３を有する抵抗体３６と、容量Ｃ３を有するコンデ ンサ３７と、ダイオード３８（Ｄｉ、）との並列構造として表されている。実際 には抵抗３５と３６は光ブロック層１４と、ダイオード３８の逆バイアス抵抗と の組合せを表している。この組合せの順方同抵抗は低抗体３５によって表されて いる。

このように、順方向のバイアス方向では、ダイオード３８は導通して抵抗体を有 効に除去する。しかし、ダイオード３８１こ逆バイアスが印加された場合は、フ ォトコンダクタ１３と光プロ、り層！４とによって形成される全逆方向抵抗は抵 抗３５と３６の結合抵抗（Ｒ３＋Ｒ４の抵抗値）であるが、順方向では結合抵抗 は約Ｒ４の値である。抵抗体３５及び３６並びにコツプ／す３７の容量Ｃ３によ って表されるパラメータは感光性パラメータであるので、可変値を有するものと して示されている。フォトコンダクタ１３への入力と、液晶１６からの出力との 実際の電位差は図２では電圧Ｖとして示されている。この電圧は交流電圧である 。

前述のように装置ＩＯの全体の切換えは回路３０を流れる電流の光学的な刺激の 差によるものである。前述の回路３０はＷ、Ｐ、ブレハ他著の参考文献「光学エ ンジニアリング」第１７＠第４号、３７１ページ以降の回路と異なるものではな い。この種類のｇ、置の特別の特徴の一つはダイオード３８の整流＋１！能によ ってフォトコンダクタ１３と光ブロック１４とに亘って正の電界が生成されるこ とであることに留意されたい。

回路３０の動作を理解するため、従来形のフォトコンダクタ１３を参照しつつ、 自由電荷、拘束電荷及び光励振電荷の相対的な大きさに関する多くの詳細な技術 的論点を理解しなければならない。更に、図３を１＃照するとフォトコンダクタ 体１３の物理的構造が図示されている。ガラス体１１と電極１２に隣接したフォ トコンダクタ】４の表面は表面４０として図示されている。光ブロック層】４に 隣接するフォトコンダクタ１３の表面は表面４１として図示されている。図３に は更に、ダイオード３８が示され、このダイオードの動作はフォトコンダクタ１ ３と先ブロック層１４との界面の表面接合部で発生する。

入力光信号２０がフォトコンダクタ１３へ入射されると、光信号はフォトコンダ クタ１３の表面４０から一定の内部路Ｎｄを隔てた地点で吸収される。吸収され た光線はフォトコンダクタ層１３内で電子・ホール対を生成する。電子・ホール 対を形成するために利用できる光量は距ｌｉｄと共に指数関数的に減少すること に留意されたい。

図３には３つの仮定状態が示されている。仮定例Ａでは、吸収は表面４０で行わ れるので、距離ｄは０に等しい５例Ｂでは、光はフォトコンダクタ層１３の中心 の方向で吸収され、例Ｃでは光はフォトコンダクタ体１３と光ブロック層１４と の接合部で吸収される。光は任意の距＠ｄで吸収されることができることに留意 されたい。表面４０と４１との間の電圧勾配が曲線３９によって示されている。

図１、図２及び図３を参照すると、従来形の光バルブｌＯの機能を分析すること ができる。明での平均電流ＩＬは暗で流れる平均電流ＩＤよりも小さい。モノル −タ１６間に発生される対応する明電圧ＶＬ及び暗電圧ＶＤはモジュレータ１６ の切換えしきい値の上下にある。液晶モジル−タは平均二乗（ｒｍｓ）電圧に応 答し、ダイオード３８の機能はこの＋１１１の光バルブを動作させるのに必要で はない。切換え速度を高めるために考案されたダイオードの機能は実際の装置で 見られることがあり、開発された内部電子構造の結果であるものと考えられる。

ダイオード３８の整流機能によって、フォトコンダクタ層１３と光ブロック層１ ４との間に平均正電位バイアスが発生される。

望ましいことは所定の光束ＦについてＩＬとＩＤの比率を最適化することである 。一般に、順方向の暗電流は材料のパラメータであると見なすことができ、従っ て接合パラメータによっては大きく左右されない。逆方向の暗電流は代表的には 整流率に左右され、良好に整流された接合では小さく、フォトコンダクタ層１３ と光ブロツク層Ｉ４とに跨がるバイアスは増強される。これは順方向電流の場合 も同様であり、整流が乏しい接合部ではフォトコンダクタ層１３と光ブロック層 １４には対応して小さいバイアスが発生される。そこで問題となるのは、所定の 光束Ｆについて如何にしてＩＬを最大にするかである。

ｊＬの流れを増大するために決定的であるものとして４つのパラメータを確定で きることに留意されたい。４つのパラメータとは次のとおりである。（１）正と 負の自由キャリヤの生成と、その再結合との遅延時間が長いこと、（２）電荷を 移動するために電界を利用できること、（３）ドリフト経路が長いこと、及び（ ４）ドリフトの移動度が高いことである。パラメータ（１）及び（４）は材料の パラメータであり、これらのパラメータは狭い限度内で選択することができる。

これらのパラメータの結果、ある種のキャリヤは急速に定着し、別のキャリヤは 比較的自由で、一般に高い移動度を有している。以下の分析では、正電荷の移動 度はより低く、生成位置の近傍で急速に定着するものと考えられる。移動度が高 い負電荷は印加された電界で移動し、電流ｉＬの発生に貢献する。残りのパラメ ータは代表的な光バルブの性能を制約するものである。ダイオード３８の接合部 の動作は慢雑であるので、パラメータ（２）と（３）は分析に際して、最初に整 流接合部なしの場合を考察し、次に整流接合部がある場合について考慮すること にする。

整流接合部がない場合は、ダイオードの動作は起こらず、フォトコンダクタ層１ ３と光ブロック層１４とに跨がるバイアスは存在しない。交流電界はゼロ（アー ス）を中心に対称になる。そこで、先ず光が表面４０で吸収されるものと仮定し た例を考慮すると、表面４０で生成された電子は図３に示すように印加された電 界で光ブロック層１４の方向に自由に移動する。この状態は装置１０に印加され た交流電圧１９の負の半サイクルの間に生ずる。正の半サイクルの間は電子は自 由にフォトコンダクタ層１３から外部に移動しないが、その理由は中性を保持す る絶縁鏡１５からの自由電荷が存在しないからである。したがって基本的に、Ｉ Ｌを生成するために光の一部しか利用されない。光線２０がフォトコンダクタ層 １３に入射する時間の半分の間は、光線は電ｉ＊ＩＬの生成には実質的に貢献し ない。（実際には、表面吸収された光線も反射して装置に対して僅かな全般的な 貢献を行う。しかし、フォトコンダクタ層構造の主要部分は影響されず、この光 線はモジュレータに関する主要な切換え能力は持たない。）図３の例Ｂに示すよ うに、光線がフォトコンダクタ層１３の中心で吸収される第２の仮定例では、フ ォトコンダクタＪＩ１３の方向に遊離した電子は、印加された電圧１９の双方の サイクル中に表面４０又は４１に到達した電子と並んで、外部電界に応答して移 動することによって電流を生成することができる。最小の時間が、固定された正 のアース状態近くに費やされるように、電子が両極端の間で発振する場合に最適 な電流が生成される。このようにして光励振電荷の最大の分離を保持することは パラメータ（１）を完全に活用ものである。

最後に、光線がフォトコンダクタ層１３と光ブロック層１４との接合部で吸収さ れる例Ｃでは、２つの層１３と１４との界面で吸収される光線は、外部電界でフ ォトコンダクタ体１３の中心方向に流動することがてきるが、交流電圧１９の負 の半サイクル中は鏡１５に対して極めて限定的にしか移動しない自由電子を生成 する。交流電圧１９の負の半サイクル中は目、の生成に関する貢献は極めて少な く、従って入射光束Ｆはモジュレータ１６の切換えには貢献しない。このことが 当てはまるのは、電子が透明電極１２からフォトコンダクタ層１３に入ることを 抑止されている場合だけである。透明電極１２から電子が注入されと、ｉＬの生 成に継続的に貢献することがあり得る。唖めて僅かな光線、もしくは吸収が弱い 光線がフォトコンダクタ層１３と光ブロック層１４との間の界面に到達すること に留意されたい。このような光線はモジュレータに関する主要な切換え能力を有 していない。このように、上記の分析から、光バルブは光の相当の部分がフォト コンダクタ層１３の中心で吸収されない限りは、モジュレータ１６の切換えに対 する入射光束への貢献を最適化できないことがわかる。光線２０がフォトコンダ クタ層１３と光ブロック層１４との間の界面の近傍で吸収されれば、電子の注入 によっである程度の利点を得ることができる。しかし、均質な媒体中の光吸収性 は指数関数的に減少することに留意されたい。従って、光束が表面４０からフォ トコンダクタ体１３内により深く透過すると、輝度は表面４０からの距離に比例 して低下し、又は、光線の放射はフォトコンダクタ体１３の中心で活用できる光 量よりも相当多く表面４０で吸収される。更に、フォトコンダクタ体１３と光ブ ロック層１４との間の界面の方向で利用できる光線はいっそう少ない。従って、 パラメータ（２）及びく３）を最適化することは不可能である。

解析において整流接合部の存在によってダイオードの動作の効果を考慮する場合 にも同様の理由付けが行われる。フォトコンダクタ層１３の表面４０は先ブロッ ク層１４の背面に対して正のバイアスを担持する。光線２０によって生成された 電子・ホール対はこのバイ了ス電界内でドリフトすることによって分離される。

各々の光励振電子は平均位置で、その初期位置よりも更にフォトコンダクタ層の 表面４０の方向に発振する。このバイアスの全体的な作用は表面４０で吸収され た光Ｉ！（位置Ａとして示す）の効果が更に小さくなり、最適な吸収の位置をフ ォトコンダクタ層１３と光ブロック層１４との界面４１の方向に移動させること である。理想的な吸収の深さは固定した孔との再結合の前にバイアス電界で光励 振した電子の平均ドリフト長さによって支配される。従って、光電子が平均して フォトコンダクタ体１３の中心で発振するように、光線はフォトコンダクタ層１ ３の中心からフォトコンダクタ層１３と光ブロック層１４との間の界面４１の方 向に一つのドリフト長さ分だけ吸収される必要があろう。このような状１はバイ アスがゼロの場合に、電子が位置Ｂでフォトコンダクタ層１３の中心方向にｙｌ ｌｌされ、光線がモジュレータの切換えに最も有効に貢献できる場合と対応して いる０バイアスを考慮すると、パラメータ（２）及び（３）を最適化することに 対しては状態は更に悪化すると云うことができる。バイアスが高い電界によって ドリフト長さは増大し、ＩＬの生成に直接貢献する。自由電子の励振と、自由電 子と正のアース状朝への再結合とのドリフト経路が長いことによって、光線が有 効に吸収される位置に対する要求の厳しきが高まる。バイアス・レベルが高い程 光線は有効に透過しなければならない。入射光束Ｆは距離と共に指数関数的に減 少し、フォトコンダクタ層１３内に更に吸収される必要があることにより、光バ ルブの効率は激減する。このように従来形の光バルブの欠点は既に認識されてお り、この非効率を克服するためにフォトコンダクタ層と光ブロック層との間の界 面の近傍で光線を吸収する試みが前記の米国特許明細口笛３，９７６．３８１号 に記載されている。

従来形の光バルブに特有の非効率性を分析する上で、最後に二つの要因を考慮す る必要がある。これらの考慮は光励振の際の内部電界と、応答速度、特に光束Ｆ を除去した後の励振の消滅時間に関するものである。光束Ｆのほとんどはフォト コンダクタ層１３の最初の半分で吸収される。自由電子はこれが外部の交流電圧 １９に応答して発振する際にバイアス電界の影響でドリフトする。バイアス電界 での電荷分離は電位勾配を縮小する作用をもたらす。代表的な動作では、相当量 の光線はバイアスが大幅に低下した領域で吸収される。しかし、このバイアスが 低下した領域では、電子と孔とを分離するというバイアスの有利な効果が低下す る。光励振のかなりの部分は表面近くの電界が比較的少ない領域で急速に緩和さ れ、１．Ｌ生成への貢献は限定される。従って理想的な構成によって、パラメー タ（１）の有利な特性を保持するための光吸収と電荷分離用のめの高い電界領域 がもたらされる。

光束Ｆが除去された時、発振する自由電子から一定の物理的な距離だけ分離され た固定的な正電荷が存在する。電子が光バルブ内を流れるｉｉｉの生成に対する 貢献を停止するまでかなりの時間が経過することがある。その結果、残像が生ず る。パラメータ（１）は電子が正のアース状態へと急速に緩和しないようにする ことによって達成されるので、キャリヤの生成と再結合との間の長時間の遅延と いう（１）の要求によって残像が残る。

フォトコンダクタ１３上に注入用接点を有する先バルブは増幅器の動作中の残像 とゴーストに関して特に難点がある。これらの作用は極めて過度な電子の注入に 関連している。電荷分離を良好にし、ＩＬとｉＤとの比率を高くすることは、増 幅された画像の残像を最小限にするという必要性と相反する。従って、要約する と、従来形の光バルブ装置には未解決の、重大な基本的問題点がある。

発１の７オトコンダクタ 図４には、従来技術のモジュレータを利用した本発明の光バルブ４２が示されて いる。光バルブ４２は従来技術より改良された動作を行う。すなわち、光バルブ ４２は入射した光束Ｆの吸収を最大にしてこの吸収効果をモジュレータのスイッ チングに結び付けている。本発明は実際従来装置のモジュレータと異なったモノ クレータの動作を行うことが認められる。しかしながら、本発明の理解を複雑に しないために本発明の２層フォトコンダクタに付いてまず説明する。

光バルブ４２の外形は図１に示した従来の光バルブ１０と同じである。ガラス体 １１　ａ、、　１．７ａ、二つの電極１２ａ、１８ａ、光ブロック１４ａ、鏡１ ５ａおよびモジュレータ１６ａは図１のそれらの要素１１，１２．１４−１８と 均等である（本発明のものと従来のものとを区別するためにａが付けられている ）。さらに解析のためにモノクレータ１６ａは従来技術でよく知られた液晶から 構成されている。後に述べるように、モジュレータ１６ａは従来のものとは異な っている。ＡＣＭ圧ｌ１ｉ１９ａは電極１２ａと１ｌｌｌａとにＡＣ１！圧Ｖを 供給する。

しかしながら、本発明のフォトコンダクタ構造４３は図１のフォトコンダクタ層 １３とは異なっている。単一層であるフォトコンダクタ１３と違って、本発明は フォトコンダクタ構造４３として別個の分離した２層４６．４７構造とされてい る。すなわち、図１の従来装置１０のフォトコンダクタ１３の代わりに、フォト コンダクタ構造４３は電荷分離層４６と電荷生成層４７とで構成されて２層フォ トコンダクタ構造４３とされている。電荷分離層４６が第１の１ｉ極１２に隣接 し、電荷生成層４７が光ブロックに隣接している。

フォトコンダクタ構造４３を２層としたのは電子・ホール対を生成するフォトコ ンダクタ４３の両側にｎ−ｐ−ｎ接合を形成させるためである。光バルブ４２の 等価回路が図５に示され、フォトコンダクタ４３の幾何学的ダイヤフラムが第６ 図に示されている。液晶および鏡部分は従来の光バルブの等価回路３０のそれら の要素と等価である。すなわち、液晶ｌｅａは抵抗値Ｒ１の抵抗３１ｍと容量値 Ｃ１の可変コンデンサ３２ｍの並列接続で表され、鏡１５ｍは抵抗値Ｒ２の抵抗 ３３ｍと容量値Ｃ２のコンデンサ３４ｍとの並列接続で表されている。しかしな がら、フォトコンダクタ構造を表す等価回路は従来装置１０の等価回路のフォト コンダクタ１３の部分とはかなり異なっている。

フォトコンダクタ構造４３は互いに逆方向に接続されたダイオード５０．５１（ それぞれＤ２、Ｄ３）を有している。図６に示すようにダイオード５０は電荷生 成層４７と光ブロック１４ａとの接合箇所の面６２に生じるｐ−ｎ接合を表して いる。また第２のダイオード５１は電荷生成層４７と電荷分離層４６の間の接合 である面６１でのｎ−ｐ接合を表している。二つのｐ−ｎ接合は、電荷生成層４ ７を光ブロック１４ａおよび電荷分離層４６よりｐタイプとすることで形成する ことができる。

フォトコンダクタ構造の平衡電荷分布は、正の層が電荷生成層４７の双方の面６ １．６２に形成されるようになる。電荷生成層４７は、平衡するまでに、外側の 層４６と１４ｍへのホールの拡散と電子の中央層４７への拡散とによって負の電 位になる。

電位傾斜曲線６４は三つの領域４６．４７．１４．　ａによるｐ−ｎ−ｐ接合に よって形成される電位井戸を描いている。電荷分離層４６の面６０に入射した光 束２０ａ（Ｆ）は、電荷生成層４７が薄く光束（Ｆ）を効率よく吸収するので、 中央領域４７でほとんど広がらずに最小の再結合ですばやくドリフトする。光に より生成したホール−電子対の正のホールは領域４７の電位井戸に取り込まれる 。したがって移動する電子を装置の電流ｌとして役立てることができる。

フォトコンダクタ構造４３の等価回路４９の構成部材が図５に示されている。

ダイオード５０と、抵抗値Ｒ５を有する抵抗５２と、容量値Ｃ５のコンデンサ５ ５との並列構造が面６２のｐ−ｎ接合を表す。Ｒ５と０５はダイオードの漏れ抵 抗および容量である。面６１に形成されるｎ−ｐ接合はダイオード５０、抵抗値 Ｒ６の抵抗５３および容量Ｃ６のコンデンサ５６の並列構造を表している。Ｒ６ 、Ｃ６はそれぞれダイオード５１の漏れ抵抗および容量である。二つのダイオー ド５０．５１の間に直列に接続された抵抗５４はダイオード５０又は５１の導通 状管にあるときの順方向抵抗に光ブロック１４ａの抵抗を加えたものである。抵 抗値Ｒ７は逆バイアスダイオード５０又は５１と直列に接続されているので通常 小さい。最後に電荷分離層４６は容量Ｃ７のコンデンサ５７で代表されている。

電荷分離層４６、電荷生成層４７、鏡１５ａ、光ブロック１４ａおよび液晶１６ ａの直列ループに加えられる電圧Ｖは回路４９に流れるループ電流ｌを供給して いる。本発明の等価回路４９を従来等価回路３０を比較すると、箪２ダイオード ５０とそれに付随した漏洩パラメータが等価回路ループに含まれているというこ とに注意すべきである。

本発明の光バルブ４２の動作の考察は以下の通りである。暗いところでの装置４ ２の動作は二つのダイオード５０，５１の漏れ抵抗および容量Ｒ５、Ｒ６、Ｃ５ 、Ｃ６によって決定される。ダイオード５０と５１に関連した共通順方向インピ ーダンスは抵抗５４で表されている。しかしながらその抵抗値Ｒ７はダイオード ５０または５１のいずれかといつも直列であるので無視して良い。ダイオード５ ０又は５１のいずれかは常にＡＣ電圧に対して逆バイアスである。したがって回 路にネ２）電流が流れずに加えられた電圧がコンデンサで分圧されている。液晶 １６ａのｒｍｓ電圧は容量５７．５６．５５．３４ａおよび３２ａと逆方向漏れ 抵抗５２又は５３によって決まる。典型的な装置のコンデンサ３４ａのインピー ダンスは動作周波数では無視されるので、鏡１５ａのコンデンサ３４ａは無視す ることができる。さらに鏡に関する抵抗成分Ｒ２、液晶の抵抗成分Ｒ１は十分に 大きいのでその漏れは無視することができる。かくして残ったキーとなるパラメ ータはダイオード５０．５１の漏れ容ｊｉＣ５、Ｃ６、液晶の容ＩＣＩおよび電 荷分離！１ｉ４６の容量Ｃ７と逆方向漏れ抵抗Ｒ５、Ｒ６である。

液晶１６ａの容量Ｃ１は、物質のパラメータおよび実用上で確立されたシステム に対する幾何学的空間に左右され、それらのパラメータは従来よく知られている 。それらの既存の装置では適切な限度内で固定されていると考えることができる 。しかし、電荷分離層４６の容置Ｃ７はその厚さと誘電特性によって制御される 。動作中ダイオード５０と５１のいずれかが所定のサイクルにおいて順方向にバ イアスされる。その所定のサイクルでの逆バイアスダイオードの容量値は、他の 漏れ容量が導通されたダイオードによって短絡されているので解析において考慮 される必要があるだけである。フォトコンダクタ構造４３を設計する際には電荷 生成領域４７を十分に薄くしなければならない。電荷生成領域４７を十分に薄く することで接合フィールドが光で生成された電荷を十分に分離し、高解像度を保 ちかつ再結合ロスを最小にすることができる。電荷生成領域４７の基本的は機能 は光束Ｆを吸収することである。本実施例の電荷生成領域４７の厚さは約１ミク ロンで、この厚さに関連した容量を持っている。さらにそのデプリートされた（ ｄｅｐｌｅｔｅｄ）容量は液晶の容量Ｃ１より大きい。

逆方向バイアス接合の予想される容量は一般的な半導体理論によって見積もるこ とができる（グロブ著、「半導体装置に物理および技術」ウィリー社、１９６７ 年、１５９ページ参照）。ステップ接合の単純なケースのデプエ、ン謬ン（ｄｅ ｐｌｅｔｉｏｎ）幅は以下の式で表される。

Ｗ”　−２０ＫＩ　Ｋ、傘φ／ｑ・　Ｎｓ　（式１）ここにＷは幅（ｗ２は幅の 自乗）、Ｋは誘電率、ＸＯは自由空間の誘電率、φは接合高さ、ｑは電荷、Ｎ！ は優性不純物濃度である。本実施例においてはＷは電荷生成領域４７であり、そ れは１ミクロンである。また誘電率は５で、φは０゜５ボルト、不純物濃度Ｎ１ は公称２．７１１０１４にほぼ等しい。

電荷分離層４６は公称誘電率５で、５−２０　！クロンの厚さにされている。ダ イオード接合６１．６２の最小容量は一義的には電荷分離層４６の厚さで決めら れる。ダイオード５１の並列容量Ｃ６は、約ｓ、　ｏｏｏボルト／Ｃ■の大きな 内部電界で光で励起されたキャリアを分離する働きをする。かくして外部から加 えられた電位は電荷分離層４６のコンデンサ５７間で低下する。

負の半サイクルの間を、図６の電気的構造によって理想的状Ｃを考察する。ダイ オード５０のコンデンサ５５の最小の容量は液晶１６ａの容量Ｃ１によって決定 される。これを考慮に入れると、本発明装置の動作が二つのコンデンサ５７．３ ２ａの間の電界の電荷の振動によるとして単純化された回路を得ることができる 。等価回路が図７に示されている。さらに暗い状態および明るい状態での電荷の 内部生成がそれぞれ図８ａおよび８ｂにそれぞれ示されている。外部から加えら れた電圧のほとんどが二つのコンデンサ３２ａ、５７によって低下させられるの て、図７の等価回路にはコンデンサ５７（Ｃ７）と３２１（ＣＩ）だけが示され ている。関係する抵抗は逆バイアスダイオードの抵抗だけである。抵抗５２．５ ３のいずれかが回路の任意のときに逆バイアスダイオードを表している。ＡＣ電 圧Ｖの極性はダイオード５０．５１のいずれが不導通かを決める。

ｎ−ｐ−ｎ装置は共通回路要素であり、漏れの原因は二つの要素によるというこ とはよく知られている。その二つの要素は空乏層内で生成された電流と空乏層外 の拡散タームと言われている。低真性キャリア濃度のｎ−ｐ−ｎ構造（例えば高 バンドギセ１ブを持つ物質）では拡散成分はドリフト成分に比べて小さい。

接合の単位面積当たりの上記生成された電流は以下の式で表される。

Ｉ　ＣＵＮ　＝　ｑ参　Ｎｉ拳Ｌ／２傘　Ｔｏ　（式２）ここでＩ　ＧＢＮはそ の電流で、Ｔｏはキャリアの寿命で、Ｎｉは真性キャリア濃度で、Ｌはアクティ ブ領域の厚さである。この近似の制限および適用範囲は前記したグロブの「半導 体装置の物理と技術」で述べられている。この式２は実用的な光バルブに適切で あり、Ｒ６、Ｒ５の値がこの電流生成メカニズムによって決定されると信じられ ている。入射光束Ｆは、類似の特性寿命で減少する上記熱レートに加えてキャリ アを生成する。

光束が入力として加えられると、この光によって生成された電流はＩ　Ｌ＋ｃ＋ 丁　＝ｑ参　Ｎ／Ｔｏ　（式３）で表される。ここで全光束Ｆは電荷生成領域４ ７でかなり吸収され、Ｎは定常状態キャリア濃度である。したがって１．印とＩ ＬＩＧＨＴの相対値がＲ６またはＲ５および液晶間の電圧すなわちコンデンサ３ ２ａの有効な電圧を決定する。

領域４７の厚さ内で熱的に生成されたキャリアの数は同じ領域内で吸収された外 部光束と匹敵する。電荷生成層４７の厚さが薄く１ミクロン又はそれ以下である どＳ／Ｎ比が改善される。

図８８および図８ｂにはバンド図が描かれている。この図はｎ−ｐ−ｎ構造の電 荷生成領域４７内の電荷の形成が示されている。電荷は電荷生成領域の両側で領 域４６．１４ａへ自由に流れる。キャリアは再結合の摘出がは七んどなく電荷生 成領域４７を通り抜けることができる。したがって入射した光束Ｆによって生成 された電子は二つのコンデンサ５７．３２ａの間を通過することができる。

本発明のフォトトランジスタ構造のゲインに関した感度が増加する。ゲインは電 荷分離容量（層４６の幅に関連した容量）に対するデプレッンヨノ容量（式１の Ｗに関連した容量）の比によって制限される。この比は、それぞれの誘電体特性 のわずかな差によって修正した電荷生成層４７に対する電荷分離層４６の比であ る。同様の条件が、加えられた電圧Ｖの正および負のサイクル双方に適用される 。負の半サイクルでは、制限が優性（ｄｏｓｉｎａｎｔ）容量の比に対するデブ レノノヨン容量の比によって決められる。優性容置の比は液晶／鏡のコンデンサ ３２ａと３４ａとの組合せである。感度が増加したた物理的原因は、ｎ−ｐ−ｎ ）ランジスタの動作と、はとんどの時間をポテン７ヤル井戸にトラップされた正 孔から離れている電荷を育することによって光で励起されたキャリアの寿命が有 効に増加することとにある。

容量Ｃ７の値を液晶／鏡容置組合せの値と同じ（することによって対象的な動作 と入射光束Ｆの最も有効な利用とをうながす。容量Ｃ７の値が液晶／鏡容量組合 せよりも大きいと正の半サイクルで電荷をほとんど蓄積することができない。

逆に０７が液晶／鏡容置組合せより小さいとコンデンサ５７の電圧降下が装置の 動作を抑制する。電荷分離層４６の電流ゲインは図１の従来の光バルブのインジ ェクティング接点から得られる利点と似ているが、イメージの持続性の減衰が起 こらないということに注意すべきである。

図８８は平衡での電荷の生成を示している。ｎ−ｐ−ｎ構造は二つのｎ型領域４ ６．１４ａによって挾まれたｐ盟の電荷生成層４７によって示されている。平衡 においては逆方向の漏れ電流源は電子・ホール対の生成による。したがって暗電 流１０は平衡での熱発生によって決まる。

図８ｂは入射光束Ｆが、正の半サイクルの間に背中合わせのダイオードを横切っ て電荷生成領域を通過するときの条件を例示しである。光束Ｆが電子・ホール対 を追加的に発生させ、そのホールがｐ型井戸にトラツプされている間に光束Ｆで 生成された電子が自由に動く。

バリヤフォトコンダクタの光バルブの動作から得られる結果は、従来の光バルブ より極めて優れた効果をもたらす。暗いときには、交流電圧が、二つのコンデン サ５７と３２ａとで分割し、背中合わせのダイオードの逆方向抵抗がｒｍｓ値で 分子を整列させる液晶１．６　ａ間に交流電位を与えることになる、ということ に注意すべきである。その整列が装置を通過する偏光された光の直角成分間に半 波長の位相遅延を引き起こす。明るいところでは、光による濁れ抵抗の値の減少 が位相遅延をゼロにする液晶１６ａ間のｒｍｓ値の増加を引き起こす。明暗これ らの二つの状態は先バルブのオン・オフ条件である。

２層フォトコンダクタの光バルブは前に論じた４スイツチングパラメータに関し て評価されることができる。四つのパラメータは（１）正及び負の自由キャリア の生成とそれらの再結合の間の長い時間遅延、（２）１１荷を移動させる電界の 役割、く３）長いドリフト経路、（４）高いドリフト移動度である。光バルブ４ ２は正の基底状態の近くからの自由キャリアの除去によって第１の１ｆラメータ はより強化される。これはデブレフシ冒ン領域でのキャリアの緩和の活力を変え ることはないが、入力信号のより良い利用をＩＩＩ＃する。励起領域４７から電 子が液晶１６ｍの充電に役立つことができる電荷蓄積要素へ電子が一掃される。

光で励起されたキャリアを急速にかつ効果的に分離する電界がｎ−ｐ−ｎ接合に 供給される。この条件は電界が強くかつ光が吸収される位置に近い第２の７＜ラ メータを最適化する。パラメータ３に関しては、交番する双方の半サイクルに応 答することによって電子が光バルブの動作に役立つ効果的な長いドリフト経路が 提供される。ドリフト経路は総合損失、主に電荷生成領域４７を移動するときの 自由キャリアの再結合によって制限される。層４６と層４７はフォトコンダクタ の機能を結合しないので、高移動度を示す物質の選択の柔軟性が増加する。この 最後の７寸うメータは、電荷を蓄積することだけが要求され、自由キャリアを移 動させない電荷分電構造には重要でないとうことを注意すべきである。

先バルブの他の特別な利点は、光バルブの動作への拡散電流の影響を最小にする ことによって非常に高品質のイメージを保持することである。キャリアを担うイ メージのすべての重要な移動は強い電界の影響によるということを注意すべきで 有る。イメージはキャリア濃度の急勾配によるキャリアの横方向への拡散によっ て品位が劣化する。さらに、光は入力面よりモジュレーティングする物質の近く で吸収される。高感度は電荷キャリアの物理的変位に関連する。入力光束および ／又は交流電圧■を除くと光で励起されたキャリアは狭い電荷生成領域４７で急 速に再結合する。かくして２層フ寸トコンダクタ先バルブは従来の先ノイルブ構 造に固有の基本的ｑ！を度および速度制限に打ち勝つことができる。

１０ミクロン厚の典型的な液晶は、従来技術において良く知られた物質から作ら れる。そのような物質は、誘電率がｌＯであり、公称１０ボルトでスイッチング する。そのような構造の容量は８８５ピコファラド／Ｃ１：である。そのような 構造において、５ボルトからｌＯボルトへスイッチングするための電荷は、４゜ ４ないし８．８ナノクーロン／Ｃ＠２である。これから、毎平方センナメートル あたり２．７Ｘ１０’°の電子のスイッチングが必要であることになる。この電 子数は、２エレクトロンボルト（ｅＶ）のフォトンでの単位量子効率において、 １マイクロジユールの入射光束Ｆの１７１００により与えることが出来る。今日 の光バルブ装置は、１０から１００マイクロジコールを用い、典型的には１００ ミリ秒の時間でスイッチングする。さらに、今日の光バルブの量子効率は、１パ ーセントより大きくはなく、普通にはずっと小さい。これに対して、本発明の光 バルブは、極めて優れた量子効率を提供する。

従来の光バルブの性能が低いことの主たる理由は、本発明の光／イルブ４２によ て解決される。２層フォトコンダクタの光パルプは、ｎ−ｐ−ｎフォトトランジ スタ構造における利点を用いるものである。光束Ｆと液晶のスイッチングに利用 できる電子との間に直接的な線形の関係がある。このことから、光バルブが適切 な液晶の形態で動作するときには、良好なグレー・スケールが得られる。本発明 の光バルブの最適化は、基本的電荷生成層のＳ／Ｎ比（または検出率（ｄｅｔｅ ｃｔｌｖｉｔｙ））に絞って行われる。電荷分離層４６は、電荷生成層４７中に おける光励起されたキャリアの制御下での、液晶モジュレータ１６ａへの電荷の スイッチングの最適化のために使用される。それ故、モジュレータ１６ａのスイ ッチング速度は調節可能である。モジユレータの速度は、電荷分離層の容量Ｃ７ により制御される電圧の平方に依存する。フレキシブルナな検出器または増幅器 におけると同様に、基本的限界は、所与のバンド幅内での信号対ノイズの限界に ある。従って、これらの最適化手法は、光バルブ４２の使用により採用可能とな る。

かくして、２層フォトコンダクタ利用の光バルブについて記載した。２層フォト コンダクタ利用のデザインにより得られる改善された動作に加えて、２層フオト コンダクタは、ＩＩ荷吸収領域をモジュレータの電荷スイッチング領域に近づけ ることにより、以下に述べるように解像度の改良に寄与する。「Ｐ形」の井戸を 有する光バルブについて記載したが、外側の諸層よりもより「ｎ形」の電荷生成 層に対しても同じ考えがあてはまる。その場合には、ダイオード５０．５１それ ぞれを、回路的解析においては反転させる。

日のモジュレータ 図９には、より高い解像度の光増幅を得るために２層手法を採用した本発明のモ ジュレータ７０が示されている。モジル−タ７Ｇは液晶であって、アクティブ層 ７１とパッンブ層７２とから構成される。液晶７０は、前述した装置４２のモジ ュレータ（液晶）１６ｍの代わりに使用される。しかし、液晶７０を使用しても 、２層フォトコンダクタ構造４３に関する前述の解析を変更しなくてよいのであ る。むしろ、液晶７０をフォトコンダクタ構造４３とともに使用することにより 、従来の光バルブよりも解像度が改善される。

モジュレータ７０は、複合配置のネマティック液晶であって、実際の反射および 変調（モジュレーン、ン）がアクティブ層７１内部で生じる。従って、アークラ ／ブのような光源からの光が、ガラス体１７ａ、電極１８ａ１パフンブ領域７２ を横断し、変調を受け反射されて、これらを通って戻り、スクリーンへのイメー ジを与える。そのイメージは、先バルブのフォトコンダクタへの信号入力の増幅 されたイメージである。好ましい実施例の複合配置のネマティック液晶７０では 、層７１の液晶成分は、法線７５から角度θに偏向されている。好ましい実施例 ではこの角度θはほぼ２〜３９である。ネマティｌり液晶装置については、米国 特許第３，５９２，５２７号、箪４，０＋９，８０７号および前記した米国特許 出願第５３８，３８１号に説明されている。複合配置のネマティック液晶につい ては、その詳細が、ジャーナル・オフ・アプライド・フィシ１クス、　Ｖｏｌ、 　４７゜Ｎｏ、　９、５ｅｐｔｌ！ｍｂｅｒ　１９７Ｂ、３８４２−５頁所載の マツモト（ＭａＬ！ｕｍｏｔｏ）他「複合配置のネマティ７り液晶の電界誘起変 形：新しいマルチカラー液晶ディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ−４ｎｄｕｃｅｄ　ｄｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｙｂｒｉｄ−ａｌｉｇｎｅｄ　ｎｅｗ＋ａｔｊｃ 　１ｉｑｕｉｄ　Ｃｒ凾唐狽≠撃刀F　Ｎｅ ｖ　ＭｕｌＬｉｅｏｌｏｒ　Ｌｉｑｕｉｄ　ＣｒｙｘＬ＋ｌ　Ｄｉｓｐｌ＋ｙ） Ｊに記されている。

光のスイツチングは、アクティブ領域７１において生じることＣζ留意されたい 。

すなわち、スイッチングはすべて、鏡１５８に隣接した集中領域（ｃｏｎｃｅｎ ｔｒａｔｅｄｒｅｇｉｏｎ＞７１内で生じる。以下に述べるように、鏡１５ａと 光プロ、り１４ａの組合せに隣接させて光スイッチング領域７１を集中化するこ とにより、スイッチング領域７１がフォトコンダクタ構造４３の吸収領域４７に より近づく。

図１０も参照する。本発明の光バルブの全構造を示す図１Ｏでは、２層フォトコ ンダクタ構造４３および２層モジェレータ７０が使用されている。フォトコンダ クタ構造４３の電荷生成層４７が光ブロック１４ｍと鏡１５ｍとの組合せに隣接 し、液晶７０のアクティブ層７１も光ブロック１４ｓと鏡１５ａとの組合せに隣 接している、ことに注意されたい。かくして、入力側の光吸収層４７と、液晶の （出力に変化を誘起する）モジル−タ領域７１とは、相互に近く配設される。

従って、本発明の光バルブは、（１）中央の光ブロック構造の薄層にての入力信 号の吸収、（２）光ブロック１４１１の反対側にすぐ隣接した点での出力信号の 変調、（３）複屈折を避けるための、出力キャビティの主要部中の変調媒体（謹 ａｄｕｌａｔｉｏｎｍｅｄｉｕ會）の調整、（４）連続的アナログ・レスポンス を呈する光学的モジュレーシ那ン構造の選択、の点で利点を提供する。

本発明の先バルブの動作、および、二重２層の手法から得られる利点について次 に説明する。フォトコンダクティブな物質および電気−光結晶（ａｌｅｅｔｒｏ −ｏｐｔ＋ｃｃｒｙｓｔａｌｓ）のサンドウィッチ構造に印加される電荷に伴う 理論的解像度は、ダブリｓ、　Ｈアール４０−チｓ−（Ｗ、　Ｒ，Ｒｏｃｈｅ） のトラングアクシ１ン、１ｉ子装置（Ｔｒａｎｓ。

Ｅｌｅｃ、　Ｄｅｗ、）、Ｖｏｌ、　ＥＤ−２１，Ｎｏ、　８．＾ｕｇ　ｆ９７ ４に記載されている。電気−光結晶の厚さに比べると、解像度を定める最小要素 （園ｉｎｉｍｕｍ　ｒｅｓｏｌｕＨｏｎ　ｅｌｅ■ｅｎｔ）が相当に小さい、こ とが観察されている。ローチェの文献の分析によれば、所与の電気−光応答に対 して、フォトコンダクタ・エレメントかまたは電気−光エレメントの厚さを減少 させることにより、解像度は任意に増大できる。解像度の増大は、装置のリグク シ１ンおよび感度が犠牲になる。薄い構造は光バルブにわたる電気的像の維持に 好都合であり、光吸収と光スイッチングとが同一場所で生じる構造が理想的であ る、ことに留意されたい。

例えば、写真フィルムは、空間における入力イメージが固定される形態の光バル ブである。入力イメージは乳剤に化学的に記録され、より明るい慢写イメージを 形成するのに用いられる。出力イメージは、入力イメージを再生するために、写 真における強調を通した選択のどんな波長も利用できる。写真のシステムでの解 像度は、フィルムの粒子サイズと、イメージを記録し読み取る際の光学的劣化と によって制限される。高い入力感度が、フィルムの大きな粒子サイズでのみ得ら れることは、良く知られている。１つの入力フォトンが、大きな粒子全体の反応 を開始させることが、フィルムの高い感度に対応する。微細粒子のフィルムでは 、同じ面積に反応を生ヒさせるために、いくつかのフォトンが必要とされる。

入力感度とシステム解像度との間には、幾多の妥協が存在する。光でアクチベー トされる光・ぐルブにおいても、その構造のフォトコンダクティブな部分に関連 して、同様のトレードオフが存在する。リアルタイムの能動装置では、入カスイ 。

チングおよび出カモシュレーン重ノを、光学的に、従って物理的に分離しなけれ ばならない点で、さらに複雑である。

以上の写真イメージに関する記述は参照用の基準のためのものである。写真イメ ージは、目への視覚的パーフｔ−マンスを満足させるためにデザインされている 。先バルブもまた目への視覚的パーフォーマンスにマブチする必要がある。従っ て、本発明の光バルブの動作は、双方のシステムの比較により、より良く理解て きる。出力イメージの解像度の決定には、３つのパラメータを考慮しなければな らない。これらのパラメータは、（１）光吸収（ｏｐｔｉｃａｌ　１ｂｓｏｒｐ ｔｉｏ口）および光スイツチング（ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｖｉｔｅｈｉｎｇ）　； 　（２）空間的範囲の吸収（ｓｐａｔｉａｌ　ｅｘｔｅｎｔ　ａｂｓｏｒｐ！１ ｏｎ）およびスイッチング（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）　；　（３）材料選択に伴う イメージ完全性保持力（ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｍａｇｅ　ｉｎｔｅｇｒ ｉｔｙ　ｗＨｈ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　５ｅｌｅｃｔｉｏｎ）、である０第１の パラメータの解析に関して、写真イメージにおいては、記録されたイメージが出 カモシュレータ媒体に対して共面であり且つ構造的に直接に関連していること、 に留意すべきである。些細なプロポーンヨンについてのイメージ劣化の減少は、 Ｘ線記録での有り得る例外は別として、さして困難ではない。従来の光でアクチ ペートされる光パルプでは、入力イメージおよび出カモシュレータは、図１に見 られるように物理的に分離されている。液晶を入力放射から分離する光ブロック の層は典型的には３ミクロンのオーダーのものでよい。それによりほぼ＋　７０ １ｐ／ａｍの解像度が得られる。出力光を変調媒体（ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ　ｍ ｅｄｉｕ−ｓ）を通して戻すよう反射する誘電体鏡（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍ １ｒｒｏｒ）は３ミクロン厚のものでよい。

この組合により、解像度が８５１ｐ／−謹に低減させられる。高い解像度の維持 のために最も重要なことは、入力放射を変調媒体の出来る限り近くで吸収するこ とである。従来の光バルブはこの特徴を提供するものではない。本発明の好まし い実施例の光ブロック１４ａはほぼ３ミクロノ、誘電体鏡１５ａはほぼ３ミクロ ノである。全体として、比較的薄い光ブロックと鏡を使用することにより、本発 明の成る利点が提供される。

系２のパラメータは、入力面および出力面の法線方向における吸収および光スイ ッチングの双方の空間的範囲に関する。法線方向は図９に軸線７５で示されてい る。２層フォトコンダクタ構造４３を光アクチベーンツンのために利用すること により得られる利点については前に述べた。光ブロツク１４ａにおける、薄い電 荷生成層４７内での光束の吸収も、より高い解像度を与えるもので、単なる／寸 −フォーマンスではない。２層手法は、光ブロック１４ａの反対側で、変調媒体 ７０のためにも利用される。薄い層７１への光変調を、光ブロック１４ａと鏡１ ５ａの構造の出来るだけ近くに限定すること、従って、吸収された元のイメージ に出来るだけ近くに限定することが好ましいから、液晶物質は、その長袖７６が 反射表面に平行になるよう配置される。薄い層７１への変調をその反射表面近く に限定するため、液晶は軸線７５で示される如くその長軸が装置の出力面に垂直 になるよう配置される。複合配置ネマティツクと呼ぶこの構造は、光学的異方性 のみを有し、それ故、中央の光プロ１り構造に近い薄い層７１内にモジュレーン 冒ン特性を持つ。

複合配置のネマティツク液晶モジュレータ７０の他の利点は、スイッチングを内 表面に閉じこめることにより、所与の通過帯域（ｂａｎｎｄ　ｐａｓｓ）に対し てのコントラストが改善される。従って、より効率的な光バルブを構成でき、低 いｆ値の光学系でも同じコントラストが得られる。入来の光ビームの変調と反射 した出力とが、変調媒体に関して一致する。それ故、高い解像度が、極めて広が った先ビームでも得られる。大変薄く、小さな深度の焦点（ｓｍａｌｌ　ｄｅｐ ｔｈ　ｆｏｃｕｓ）の、変調されたフィルムからのイメージを、投影レンズがス クリーン上へ合焦させる。

第３のパラメータは、アクティブ物質の電子的特性に伴うイメージ劣化を考慮す るものである。液晶７０．誘電体鏡１１５ｍおよび光ブロック１４ａは、空間的 保持するものである。

ト ■ ムー 光伝導体（４７）の光吸収領域に近い液晶（７１）の光スイツチング領域を最適 化した高解像度の光バルブ。この光パルプは、光で励起された電荷を蓄積し、光 吸収を半導体物質と同様の接合部から高い電界が存在する狭い電荷生成領域に集 中させる透明な電荷分離層（４６ンを有している。２層光伝導体（４３）は、狭 い逆バイアス領域で明および暗のキャリア濃度によって支配されるスイッチング 特性を持っている。本光バルブは、スイッチングが光伝導体（４７）の光吸収領 域に近い狭いアクティブ領域（７１）で行われる２層液晶（７０）を利用してい る。

手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 平成３年特許願　第５０７１７２号 ２、発明の名称 高解像度光パルプ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　工ヴアレックス鳴システムズ畢 インコーボレーテッド ４、代理人 居　所　東京都千代田区永田町２丁目４番２号秀和溜池ビル８階 山川国際特許事務所内 （１）特許法第１８４条の５第１項の規定による書面の

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の透明基板と； 前記第１の透明基板の一方の側に配置された第１電極と；前記第１電極の、前記 第１の透明基板の次に位置する側とは反対側に配置されており、前記第１電極に 隣接して電荷分離層を有し、前記第１電極に隣接しない方の側に電荷生成層を有 するフォトコンダクタと；前記フォトコンダクタの前記電荷生成層に隣接して配 置され、光ブロックとして機能する絶縁体と； 前記絶縁体の、前記電荷生成層に隣接しない方の側に配置きれた鏡と；前記鏡に 、前記絶縁体とは反対の側で隣接して配置されたアクティブ層と、前記鏡と反対 側に配置されたバッシブ層とを有するモジュレータと；前記モジュレータの前記 バッシブ層に隣接する側であって前記鏡の反対側に配置された第２電極と； 前記第２電極の、前記モジニレータとは反対側に配置された第２の透明基板とを 備え； ２つの層の前記フォトコンダクタと２つの層の前記モジュレータとにより、最適 化された解像度特性が与える光バルブ。
2. （２）請求項１記載の光バルブであって、前記モジュレータが液晶モジュレータ である光パルプ。
3. （３）請求項２記載の光バルブであって、前記液晶モジュレータが、複合配置の ネマティック液晶を含む光バルブ。
4. （４）請求項２記載の光バルブであって、前記アクティブ層の液晶成分が角度θ に偏向されている光パルプ。
5. （５）請求項４記載の光バルブであって、前記角度θがほぼ２〜３°である光バ ルブ。
6. （６）請求項１記載の光バルブであって、前記第１の透明基板に光を与える光源 をさらに備える光バルブ。
7. （７）請求項４１記載の光バルブであって、前記光バルブからのイメージがスク リーンにデイスプレイされる光バルブ。
8. （８）第１の透明基板と，第１電極と，フォトコンダクタと，光ブロックと，鏡 と，モジュレータと，第２電極と，第２の透明基板とを備える光バルブにおいて 、前記モジニレータがアクティブ層とバッシブ層とを有する改良。
9. （９）請求項８記載の改良において、前記アクティブ層が前記鏡に隣接して配置 されている改良。
10. （１０）請求項９記載の改良において、前記バッシブ層が前記アクティブ層に隣 接して配置されている改良。
11. （１１）請求項１０記載の改良において、前記モジュレータが液晶ダイオードか ら成る改良。
12. （１２）請求項１１記載の改良において、前記液晶ダイオードが、その長軸が前 記モジニレータの出力面に垂直になるよう配置されている改良。
13. （１３）請求項１１記載の改良において、前記アクティブ層の液晶成分が再度θ に偏向されている改良。
14. （１４）請求項１３記載の改良において、前記角度θがほぼ２〜３°である改良 。
15. （１５）第１の透明基板と，第１電極と，フォトコンダクタと，光ブロックと， 鏡と，モジュレータと，第２電極と，第２分透明基板とを備える光バルブにおい て、前記モジュレータがアクティブ層とパッシブ層とを有し、前記フォトコンダ クタが電荷分離層と電荷生成層とを有する改良。
16. （１６）請求項１５記載の改良において、前記アクティブ層が前記鏡に隣接して 配置されている改良。
17. （１７）請求項１５記載の改良において、前記パッシブ層が前記第２電極に隣接 して配置されている改良。
18. （１８）請求項１５記載の改良において、前記モジュレータが液晶である改良。
19. （１９）請求項１８記載の改良において、前記液晶が複合配置のネマティック液 晶である改良。