JPH06208127A - 空間光変調器及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 図１に、本発明に係る空間光変調器の構成を
示す。液晶を挟持するための一対の基板の表面に透明電
極層が形成され、一方の透明電極上には光導電層及び誘
電体多層膜ミラーが形成されている。さらに両基板の表
面には、配向膜層が設けられている。この一対の基板
を、スペーサー材を外周シール材に混合分散し、前記シ
ール材を塗布した後２枚の基板を接着して液晶を狭持す
る間隙を形成し、間隙に反強誘電性液晶組成物が狭持さ
れている。また、その駆動方法として、バイアス電圧を
重畳した双極パルスを用いる。 【効果】 本発明の方法に依れば、光情報処理システ
ム、光ニューラルネット等のシステムに用いられる空間
光変調器を、強誘電性液晶を用いるよりも簡便、安価か
つ高信頼に実現される。また、簡便な方法で多値論理を
光学的に実現する事が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は画像処理装置、光情報処
理用空間光変調器等に応用される光書き込み型液晶空間
光変調器及びその駆動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶を用いた空間光変調器は入力
された画像情報を、リアルタイムで強度変調出力する素
子として用いられている。筆者らは、特願昭６３−６８
９６７に於いて、表面安定化強誘電性液晶を変調材料と
して用いた空間光変調器の構成を示した。表面安定化強
誘電性液晶を変調材料として用いた空間光変調器は、高
解像度、高コントラスト、高速応答、といった特徴を有
しており、光情報処理用デバイスとして用いられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の表面安
定化強誘電性液晶を用いた空間光変調器は、表面安定化
強誘電性液晶を変調材料として用いているため、１μｍ
程度の非常に狭い間隙を非常に高精度に作り込む必要が
あった。そのため、材料である基板に非常に高精度の研
磨加工を施す必要が生じてコスト増の原因となってい
た。また、間隙の面内分布に因る感度分布のため、歩留
まりの低下を引き起こしていた。さらに、表面安定化強
誘電性液晶は、その特性に多大な影響を与える層構造の
均一性、安定性、経時変化の問題があり、これが空間変
調器に対しても信頼性の低下をもたらしていた。さら
に、表面安定化強誘電性液晶を用いた空間光変調器は、
表面安定化強誘電性液晶の持つ双安定性によって基本的
に２値動作しか得られず、多値論理等を光学的に実行す
る事は困難であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、従来
のこのような課題を解決するため、液晶を用いた空間光
変調器に於いて、液晶組成物として常温でスメクティッ
ク相をとり、電界無印加時に層間で自発分極の向きが交
互に反転した相をとり、電界が印加された場合には電界
の方向に対応して自発分極の方向が揃う正負二つの安定
状態を有する、反強誘電性液晶を用いた。さらに、双極
パルスを用いた駆動方法により、３値の論理を光学的に
リアルタイムで実現する事を可能にした。

【０００５】

【作用】上記の方法を用いる事により、液晶を用いた空
間光変調器に於いて、変調材料として上記したような反
強誘電性液晶を用いる事により、間隙の精度に関する許
容範囲が拡大してコストダウン、歩留まり向上をもたら
し、さらに層構造が自己修復性を有するため信頼性を格
段に向上させる事を可能とした。さらに、双極パルスを
用いた駆動方法により、３値の論理を並列にリアルタイ
ムで実現する事を可能にし、その応用範囲を増大させる
事ができる。

【０００６】

【実施例】以下に図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。図１は、本発明に係る光書き込み型反強誘電性液晶
空間光変調器の構造を示す模式図である。

【０００７】液晶分子を挟持するための基板11a、11bと
して、両面をHe-Neレーザー波長に於て平行平面度λ/5
以下に研磨した厚さ５mmの透明ガラス基板を用いた。両
基板の表面にはＩＴＯ透明電極層12a、12bを設けた。光
による書き込み側の透明電極層12a上には３．０μｍの
厚さの水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）光導電層
15を形成した。さらに光導電層上には誘電体多層膜ミラ
ー16を形成した。ただし、この誘電体多層膜ミラーは、
空間光変調器の用途によっては必要ない場合もあり、こ
れを形成しない空間光変調器についても作製評価を行っ
た。

【０００８】さらに両基板の表面には基板の法線方向か
ら85゜の入射角で、且つ組み合わせた状態で書き込み側
及び読みだし側の基板上の入射方向が一致するように一
酸化珪素を斜方蒸着した配向膜層13a、13bを設けた。次
に、２．０μｍの平均粒径を持つシリカ球を外周シール
材に混合分散し、凸版印刷法を用いて前記シール材を印
刷塗布した後２枚の基板を接着し、反強誘電性液晶を狭
持する間隙を形成した。

【０００９】反強誘電性液晶組成物14としては、ＣＳ−
４０００（チッソ社製）等を用い、アイソトロピック相
迄昇温したのち、真空注入しスメクチックＣA*相迄徐冷
して均一な配向を得た。本発明の空間光変調器は、変調
材料として反強誘電性液晶を用いている。反強誘電性液
晶層は、一般の表面安定化強誘電性液晶層とは異なり、
層の自己修復性を有するため、間隙の精度に関する許容
範囲が拡大した。このため、基板は通常の液晶セルに用
いられているようなソーダガラス等のより安価な材料
や、プラスチック等でも問題なく、また、面精度の要求
仕様も上記実施例に示す値よりも緩やかである。また、
液晶層の間隙は強誘電性液晶の場合に比べて大きく、間
隙の分布の精度に関する要求も格段に小さい。このた
め、歩留まりが格段に向上し、製造コストは格段に小さ
くなる。

【００１０】さらに、上記したように層構造が自己修復
性を有するため、信頼性、特に耐衝撃性は格段に向上し
た。また、配向膜層としては高分子ラビング膜等の一般
的な配向膜を用いても何等問題はなく、この方法を用い
れば真空工程が減って更にコスト減が可能である。

【００１１】図２は書き込み、読み出し実験を行った光
学系のシステム図である。書き込み光源21a、21bとして
ハロゲンランプを用い、干渉フィルター22a、22bを通し
て波長分布を制御した。書き込み光はハーフミラー23で
合成され、本発明に係る反強誘電性液晶空間光変調器24
へ照射される。なお、画像を書き込む場合は図中25a、2
5bにそれぞれマスクを配置し、レンズ26で空間光変調器
24の入力面に結像した。読み出し光源27は、ハロゲンラ
ンプを用い、波長分布を制御する干渉フィルター22c、
光量を調節するための絞り28、偏光子29、ビ−ムスプリ
ッタ30を通って本発明に係る反強誘電性液晶空間光変調
器24の出力面へ照射され、反強誘電性液晶層で変調され
つつ反強誘電性液晶層と水素化アモルファスシリコン光
導電層の界面で反射され、再びビームスプリッタ30に入
射する。ここで、ビームスプリッタ面で反射された光が
検光子31で検光され、ＣＣＤカメラ32で観測される。偏
光子29は反強誘電性液晶層の電界印加時の一方の安定状
態に対して偏波面が変調を受けない方位に配置され、検
光子31は上記の状態での反射光に対しクロスに配置され
ている。即ち、書き込み光の無い状態では読み出しは暗
状態となる。観察はＣＣＤで取り込んだ画像をＣＲＴ32
に表示し、撮影した。また、フォトディテクター33を設
置して光学応答をも測定した。駆動は、自作のドライバ
ー34を用いて行った。

【００１２】なお、書き込みに用いられる光源はハロゲ
ンランプ、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレーザー、半導体
レーザー、のいづれかであり、読み出し光に用いられる
光源はハロゲンランプ、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレー
ザー、半導体レーザー、のいづれかであればよい。

【００１３】上記のシステムを用いて、以下の書き込み
実験を行った。図３は、書き込み光源のうち一方だけを
用いて、一定の書き込み光、読み出し光を照射しながら
本発明に係る反強誘電性液晶空間光変調器に三角波電界
を印加した場合の読み出し光の光学応答を印加電界とと
もに示した図である。図からわかるように、素子は印加
電界に応じて３つの安定状態を有する。

【００１４】図４は、図３の応答をｘ−ｙプロットで表
した図である。図からわかるように、各状態間の遷移は
非線形であって、ヒステリシスを示す。また、極性によ
って応答は非対称である。非線形性は反強誘電性液晶固
有の特性である。また、極性による非対称性は、光導電
層内の電荷の易動度の差、及び光導電層とＩＴＯ間の障
壁によるものであると考えられる。

【００１５】これらの特性を利用して２入力に対して３
値の論理を実現する方法の例について示す。図５は、本
発明に係る反強誘電性液晶空間光変調器を駆動する電圧
波形を示したものである。波形は第一のパルス電圧51、
第一の休止期間52、第一のパルス電圧と逆極性の第二の
パルス電圧53、第二の休止期間54、が連続し、繰り返さ
れる。

【００１６】ここで、第一及び第二のパルス電圧のパル
ス幅、及び電圧波高値は、それぞれ独立に設定、制御さ
れる。また、休止期間に印加されるＤＣ電圧は、充分に
強い書き込み光の照射下で、前記図４に示された２つの
ヒステリシスカーブのうちの一方の、２つの閾値の中間
に設定した。

【００１７】ここで、本実施例では２入力に対して３値
の出力を得るために休止期間にＤＣバイアスを加えてい
るが、通常の２値の応答を得る目的であれば、休止期間
は０Ｖとして何等問題はない。また、２値の出力を得る
場合は一方の安定状態と緩和状態の２状態が得られれば
良いのであるから、第一の休止期間は必要ない。このよ
うに、必要な出力状態に応じて、駆動波形のうちの休止
期間の配分も異なってくる。

【００１８】さらに、適当な周波数と電圧の高周波電圧
を加える事により、反転状態の保持性を制御する事もで
きる。即ち、本発明に用いた反強誘電性液晶は、表面安
定化強誘電性液晶のような完全なメモリー性は有してお
らず、反強誘電相に緩和されるため、見かけ上コントラ
ストが低くなってしまうため、上記の方法によって、誘
電率の異方性と高周波電界のカップリングによって分子
を反転状態にアンカリングし、コントラストの改善を行
う事が出来る訳である。

【００１９】図６は、図５に示した駆動波形を用い、図
２に示した光学系を用いて、多値論理演算の一例とし
て、２入力に対して３値の出力を得る論理演算を行う場
合の、出力の光強度を示した図である。本実施例の場
合、入力はそれぞれ１、０の二値とした。

【００２０】本実施例の場合、設定されたパルス幅に対
しての電圧閾値に対する反強誘電性液晶層に分圧される
電圧を、図７に示すように設定した。但し、図中71a、71
b、71cに示す電圧は、２入力光の何れもがＯＮの場合に
分圧されるバイアス電圧、第一のパルス電圧、第二のパ
ルス電圧を示し、図中72a、72b、72cに示す電圧は、２入
力光の何れか一方のみがＯＮの場合に分圧されるそれぞ
れの電圧を示し、図中73a、73b、73cに示す電圧は、２入
力光の何れもがＯＦＦの場合に分圧されるそれぞれの電
圧を示している。休止期間の液晶分子は、書き込み期間
に与えられた分圧に応じた位置から次第に反強誘電相
（緩和状態）に戻るが、本実施例の時間では程度では急
速な緩和は起こらず、出力強度は充分に分離可能であっ
た。

【００２１】このような設定下において、２入力のＯ
Ｎ、ＯＦＦそれぞれに対して図６に示すような応答が得
られる。これを整理すると、表１の様になる。

【００２２】

【表１】

【００２３】即ち、本発明に係る反強誘電性液晶空間光
変調器及びその駆動方法を用いる事によって、表１に示
すような２入力３出力の論理演算が空間光変調器上で並
列に、リアルタイムで全光学的に実現されることがわか
る。また、上記の出力をスレッショルディングする事に
より、二値のブーリアンロジックへの応用も可能であ
る。即ち、上記出力のＬとＭの間でしきい値処理する
と、２つの入力間のＸＯＲが得られる事がわかる。

【００２４】同様に、パルス幅、電圧、光強度の設定に
より、様々な論理が実現可能である。また、入力は１、
０の二入力に限らず、例えば多値入力間の演算や、多入
力間の演算も可能である。これらの演算は従来の表面安
定化強誘電性液晶を用いた空間光変調器を用いては実行
できなかったものであり、光学的論理演算への空間光変
調器の応用範囲を増大する効果があると考えられる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べてきたように本発明の方法に依
れば、光書き込み型液晶空間光変調器に於て、変調材料
として反強誘電性液晶を用いた事により、間隙の精度に
関する許容範囲が拡大してコストダウン、歩留まり向上
をもたらし、さらに層構造が自己修復性を有するため信
頼性を格段に向上させる事を可能とした。さらに、双極
パルスを用いた駆動方法により、３値の論理を並列にリ
アルタイムで実現する事を可能にし、その応用範囲を増
大させる事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光書き込み型強誘電性液晶空間光
変調器の構造を示す模式図である。

【図２】書き込み、読み出し実験を行った光学系のシス
テム図である。

【図３】書き込み光源のうち一方だけを用いて、一定の
書き込み光、読み出し光を照射しながら本発明に係る反
強誘電性液晶空間光変調器に三角波電界を印加した場合
の読み出し光の光学応答を印加電界とともに示した図で
ある。

【図４】図３の応答をｘ−ｙプロットで表した図であ
る。

【図５】本発明に係る反強誘電性液晶空間光変調器を駆
動する電圧波形を示したものである。

【図６】図５に示した駆動波形を用い、図２に示した光
学系を用いて、多値論理演算の一例として、２入力に対
して３値の出力を得る論理演算を行う場合の、出力の光
強度を示した図である。

【図７】設定されたパルス幅に対しての電圧閾値に対す
る反強誘電性液晶層に分圧される電圧を示す図である。

【符号の説明】

１１ａ、１１ｂ 透明基板 １２ａ、１２ｂ 透明電極 １３ａ、１３ｂ 配向膜層 １４ 反強誘電性液晶層 １５ 光導電膜 １６ 誘電体多層膜ミラー ２１ａ、２１ｂ 書き込み光源 ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 干渉フィルター ２３ ハーフミラー ２４ 反強誘電性液晶空間光変調器 ２５ａ、２５ｂ マスク ２６ レンズ ２７ 読み出し光源 ２８ 絞り ２９ 偏光子 ３０ ビームスプリッタ ３１ 検光子 ３２ ＣＣＤカメラ ３３ フォトディテクター ３４ ドライバー ５１ 第一のパルス電圧 ５２ 第一の休止期間 ５３ 第二のパルス電圧 ５４ 第二の休止期間 ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ 二入力の何れもがＯＮの場合
の電圧レベル ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ 二入力の何れか一方のみがＯ
Ｎの場合の電圧レベル ７３ａ、７３ｂ、７３ｃ 二入力の何れもがＯＦＦの場
合の電圧レベル

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年４月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は画像処理装置、光情報処
理装置等に応用される光書き込み型液晶空間光変調器及
びその駆動方法に関するものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の表面安
定化強誘電性液晶を用いた空間光変調器は、表面安定化
強誘電性液晶を変調材料として用いているため、１μｍ
程度の非常に狭い間隙を非常に高精度に作り込む必要が
あった。そのため、材料である基板に非常に高精度の研
磨加工を施す必要が生じてコスト増の原因となってい
た。また、間隙の面内分布に因る感度分布のため、歩留
まりの低下を引き起こしていた。さらに、表面安定化強
誘電性液晶は、その特性に多大な影響を与える層構造の
均一性、安定性の問題、及び経時変化の問題があり、こ
れが空間変調器に対しても信頼性の低下をもたらしてい
た。さらに、表面安定化強誘電性液晶を用いた空間光変
調器は、表面安定化強誘電性液晶の持つ双安定性によっ
て基本的に２値動作しか得られず、多値論理等を光学的
に実行する事は困難であった。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】液晶分子を挟持するための基板11a、11bと
して、本実施例に於いては両面をHe-Neレーザー波長て
平行平面度λ/5以下に研磨した厚さ５mmの透明ガラス基
板を用いた。ただし、実際には平面度λ/２程度の基板
を用いればよく、材質もプラスチック等でも問題はな
い。両基板の表面にはＩＴＯ透明電極層12a、12bを設け
た。光による書き込み側の透明電極2a上には３．０μｍ
の厚さの水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）光導電
層15を形成した。さらに光導電層上には誘電体多層膜ミ
ラー16を形成した。ただし、この誘電体多層膜ミラー
は、空間光変調器の用途によっては必要ない場合もあ
り、これを形成しない空間光変調器についても作製評価
を行った。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】さらに両基板の表面には基板の法線方向か
ら85 の入射角で、且つ組み合わせた状態で書き込み側
及び読みだし側の基板上の入射方向が一致するように一
酸化珪素を斜方蒸着した配向膜層13a、13bを設けた。こ
こで、配向膜層としては、高分子ラビング膜等を用いて
も問題はない。次に、２．０μｍの平均粒径を持つシリ
カ球を外周シール材に混合分散し、凸版印刷法を用いて
前記シール材を印刷塗布した後２枚の基板を接着し、反
強誘電性液晶を狭持する間隙を形成した。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】なお、書き込みに用いられる光源はハロゲ
ンランプ、メタルハイランプ等のインコヒーレント光
源、またはＨｅ−Ｎｅレーザー、Ａｒレーザー、半導体
レーザー、等のコヒーレント光源のいづれかであり、読
み出し光に用いられる光源はハロゲンランプ、メタルハ
イランプ等のインコヒーレント光源、またはＨｅ−Ｎｅ
レーザー、Ａｒレーザー、半導体レーザー、等のコヒー
レント光源のいづれかであればよい。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光による書き込み手段、光による読み出
   し手段及び電圧印加手段を具備し、透明電極上に光導電
   膜が形成されたガラス基板と、透明電極の形成されたガ
   ラス基板のそれぞれの対向する表面に液晶配向膜が形成
   された一組のガラス基板が対向配置され、その間隙に液
   晶組成物が封入されてなる液晶空間光変調器において、
   該液晶組成物は常温でスメクティック相をとり、電界無
   印加時に層間で自発分極の向きが交互に反転した相をと
   り、電界が印加された場合には電界の方向に対応して自
   発分極の方向が揃う正負二つの安定状態を有する、反強
   誘電性液晶である事を特徴とする空間光変調器。
2. 【請求項２】 請求項１の空間光変調器において、該光
   導電膜は水素化アモルファスシリコン膜である事を特徴
   とする請求項１記載の液晶空間光変調器。
3. 【請求項３】 請求項１の液晶空間光変調器は、光導電
   膜と液晶配向層の間に、光分離用誘電体ミラーが形成さ
   れている事を特徴とする請求項１記載の液晶空間光変調
   器。
4. 【請求項４】 請求項１の空間光変調器において、印加
   される駆動電圧は、第一のパルス電圧と、第一のパルス
   電圧と逆の極性を有する第二のパルス電圧、及び休止期
   間からなる波形を用いることを特徴とする液晶空間光変
   調器の駆動方法。
5. 【請求項５】 請求項４の空間光変調器の駆動方法にお
   いて、印加される駆動電圧は、第一のパルス電圧及び第
   二のパルス電圧は電圧またはパルス幅がそれぞれ独立に
   設定され、また、休止期間は電圧０Ｖまたはしきい値以
   下の直流電圧または高周波の交流電圧或いは直流を重畳
   した交流電圧が印加された期間であり、また、休止期間
   は第一のパルス電圧と第二のパルス電圧の間及び第二の
   パルス電圧と第一のパルス電圧の間の両方またはいずれ
   か一方に設定され且つ２つの休止期間を設けた場合はそ
   の長さはそれぞれ独立に設定されるような波形を用いる
   ことを特徴とする液晶空間光変調器の駆動方法。
6. 【請求項６】 請求項４の空間光変調器の駆動方法にお
   いて、該読み出し光学系はクロスニコルに設定され、且
   つ第一または第二のパルス電圧により決定される液晶分
   子の配列方向が、クロスニコル下において暗視野状態と
   なるように配置されることを特徴とする液晶空間光変調
   器の駆動方法。