JPH0651341A

JPH0651341A - 空間光変調素子

Info

Publication number: JPH0651341A
Application number: JP20528992A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Namikawa; 靖生並川; Kuniharu Takizawa; 國治滝沢; Hiroshi Kikuchi; 宏菊池; Koji Tada; 紘二多田
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Sumitomo Electric Industries Ltd; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】高画質の空間光変調素子を得ること。【構成】ＢＳＯウェハ３０の一方の面上には、光吸収
層３１、誘電体ミラー３２、高分子液晶複合膜３３、Ｉ
ＴＯ透明電極３４及びガラス板３５が順次重なってい
る。また、ＢＳＯウェハ３０の他方の面上には、ＩＴＯ
透明電極３６が密着されている。光吸収層３１を構成す
るダイヤモンドライクカーボン膜は、その高比抵抗によ
って光変調層に印加される電界分布をシャープなものと
することができ、光伝導層及び光変調層の光アイソレー
ションを高め、読出し光が光伝導層に入射することを十
分に防止して、読出した画像の質を高めることができ、
さらに、その高耐熱性及び表面平滑性のゆえに光変調層
との接着が容易かつ確実なものとなる。よって、本発明
の空間光変調素子は、鮮明な画像を表示することがで
き、高解像度の画像ディスプレイ等の用途に効果的に利
用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光書込み型の空間光変
調素子に関し、特に、書込み光を用いて画像等の２次元
情報を入力し、読出し光を用いて、この２次元情報を出
力する光書込み型空間光変調素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】２次元情報処理、或いはディスプレイを
目的として、従来より各種の空間光変調素子の開発が進
められている。

【０００３】図５は、応答速度が速く、読出し光の利用
効率が高いタイプの空間光変調素子の構造を示す（滝沢
ほか、１９８９年秋季電子情報学会、Ｃ−３３８、或い
は特開平２−９３５１９等）。図示のように、この素子
では、ＩＴＯ透明電極１、光導電層２、反射層３、光変
調層４及びＩＴＯ透明電極５の積層構造となっており、
ＩＴＯ透明電極５はガラス６で被覆されている。このよ
うな構造において、光変調層４には高分子分散型液晶
が、光反射層３には誘電体ミラーが、光変調層４にはＢ
ｉ₁₂ＳｉＯ₂₀（以下、ＢＳＯと略す）単結晶ウェハが用
いられている。

【０００４】まず、書込み光７が光導電層２に照射され
ていないときは、光導電層２のインピーダンスが十分に
高く、光変調層４の液晶にはほとんど電界が印加されな
い。したがって、液晶分子はランダムに配向しており、
光変調層４中のポリマー及び液晶の屈折率差に起因して
読出し光８が散乱される。一方、光導電層２に書込み光
７を照射すると、ＢＳＯの光伝導効果によりそのインピ
ーダンスが低下し、光変調層４に電界が印加される。こ
れにより、液晶分子が電界方向に配向するが、液晶の常
光屈折率とポリマーの屈折率とが一致するように構成さ
れており、読出し光８は散乱を受けずに反射層３で反射
される。したがって、書込み光７として画像を入力する
と、この画像の面内強度分布に対応して読出し光８が反
射され、出力画像を得ることができる。この素子では、
光導電層２としてＢＳＯを、光変調層４として高分子分
散型液晶を用いているため、応答速度が速く、ＴＶレー
トでの動画表示が可能である。また、読出し出力の部分
に偏光板を用いていないので、光の利用率が高く明るい
像を得ることができる。

【０００５】図６は、別の空間光変調素子である液晶ラ
イトバルブ（Liquid Crystal LightValve, LCLV）の構
造を示した図である（J. Grinberg, Opt. Eng., Vol. 1
4,217(1975) ）。図示のように、この素子では、ＣｄＳ
からなる光導電層１２の一方の面にＩＴＯ透明電極１３
が設けられ、またＩＴＯ透明電極１３の表面は、透明な
プレート１４で被覆されている。一方、光導電層１２の
他方の側面には、ＣｄＴｅからなる光吸収層１５、誘電
体ミラーで構成される反射層１６、光変調層１７、及び
ＩＴＯ透明電極１８が順次重ねられてい設けられ、さら
にＩＴＯ透明電極１８はガラス１９で覆われている。な
お、光変調層１７は、ハイブリッド電界モードで動作す
る結晶１７ａとこれを挟んで対向する液晶配向層１７
ｂ、１７ｃとによって形成されている。

【０００６】この素子の動作を以下に説明する。まず、
２次元画像情報を持った書込み光２０を光導電層１２側
に入射させる。この結果、光強度分布に対応して光導電
層１２のインピーダンスが低下し、これに応じて液晶１
７ａに印加される実効電界が変化する。読出し光２１を
ＩＴＯ透明電極１８側から液晶１７ａに入射させると、
液晶１７ａへの印加電界分布に応じて読出し光２１が変
調される。この変調された読出し光２１は、反射層１６
で反射されて読出し光２１が入力側から再度出力画像と
して出射する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図５の反射層３には、
通常誘電体多層膜ミラーが用いられる。その理由は、書
込み光の強度に対応して光導電層２の面内に形成された
電界分布をシャープに光変調層４に印加する必要がある
ため、反射層３としてできるだけ比抵抗の高い材質を選
択しなければならず、金属ミラー等の低抵抗材料は使用
できないからである。

【０００８】誘電体多層膜ミラーは、屈折率の異なる２
種類の誘電体を交互に多数回積層し、膜内での光の多重
干渉を利用して、ある特定波長域の入射光に対して反射
率を高めるものである。屈折率ｎ₁、ｎ₂（ｎ₁＞
ｎ₂）の各誘電体層を交互に重ねた２層膜を繰り返しｐ
組み重ねた多層膜の最大反射率Ｒは次式で与えられる。

【０００９】

【数１】

【００１０】ただし、ｎ₀は外部物質の屈折率で、ｎ_s
は基板の屈折率である。

【００１１】例えば、石英ガラス板上にＴｉＯ₂とＳｉ
Ｏ₂とを交互に８回積層した場合（ｎ₁＝２．３５、ｎ
₂＝１．４６）、Ｒ＝０．９９７となる。式（１）よ
り、Ｒ＝１とすることは不可能であることが分かる。ま
た、図５の素子では光変調層４として高分子分散型液晶
を用いているが、この液晶では読出し光の変調に光散乱
を利用しているため、ＯＦＦ状態の領域に入射した読出
し光は光変調層４で散乱され誘電体多層膜ミラーに斜め
に入射する。この場合、ミラーの反射条件が垂直入射光
に対して設計されているので、このような斜め入射光の
ミラー透過率は高くなってしまう。

【００１２】このように、この素子構造では、読出し光
の一部が光伝導層に達するため、光伝導層の抵抗率が低
下し、書込み光により光伝導層２に形成された電界分布
が消去または減衰され、光変調層４に印加される電界分
布が鈍り、その結果として読出し画像の画質が低下する
ことになる。この問題を解決するために光吸収層の付加
が検討されている。これは、光吸収係数の高い光吸収層
を誘電体ミラー層と光伝導層との間に光吸収層を挿入す
ることにより、誘電体ミラー層を通過した読出し光の光
伝導層への入射を遮光しようというものである。光吸収
層に要求される性能は、高光吸収係数、高比抵抗、高耐
熱性、表面平滑性、光伝導層に対する密着性である。こ
のうち耐熱性は、光吸収層上への誘電体多層膜ミラーの
コートプロセス時の加熱に対するものであり、通常２０
０℃〜３００℃に対する耐熱性が要求される。

【００１３】図６に示す従来例では、このような光吸収
層としてＣｄＴｅを使用しているが、ＣｄＴｅは純度・
組成の制御が困難であるので高比抵抗の薄膜を得ること
が困難であり、また、光伝導効果を有するため、読出し
光の強度が大きい場合にはさらに低抵抗化するという問
題がある。

【００１４】高抵抗比、光耐熱性の材料としては、ポリ
イミド等の耐熱性高分子膜を挙げることができる。ポリ
イミドに顔料や染料を分散することにより透過率の低い
膜を得ることができるが、空間光変調素子の仕様を完全
に満足するものを得ることは難しい。

【００１５】耐熱性のある顔料（カーボンや無機顔料）
を２次凝集を抑制しつつ分散し、表面がサブミクロンオ
ーダで平滑な膜を得るためには、かなり樹脂成分の比率
を上げる必要があり、膜の吸収係数を十分に高くするこ
とが難しい。そのため、透過率を抑えるためには光吸収
層の膜厚を３〜４μｍと厚くしなければならない。この
結果、光伝導層内に形成された電界分布が変調層に印加
されるとき、面内方向のダレが大きくなり、読出し画質
の解像度が低下するという問題が生じる。

【００１６】一方、染料では１５０℃以上の耐熱性を有
する材料が少なく、また光吸収係数も比較的低いため、
満足できる性能の光吸収層を得ることができない。

【００１７】そこで、本発明は、以上の問題を解決し、
高性能の光吸収層を形成することによって高画質の空間
光変調素子を得ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る空間光変調素子は、（ａ）光伝導材料
から形成された光伝導層と、（ｂ）印加電圧に応じて入
射した光の状態を変化させる光変調層と、（ｃ）光伝導
層と光変調層との間に設けられた誘電体ミラーと、
（ｄ）誘電体ミラーと光伝導層との間に設けられたダイ
ヤモンドライクカーボンからなる光吸収層とを備えるこ
ととしている。

【００１９】

【作用】上記の空間光変調素子によれば、ダイヤモンド
ライクカーボンから形成した光吸収層を、誘電体ミラー
と光伝導層との間に設けている。ダイヤモンドライクカ
ーボンは、空間光変調素子の光吸収層に要求される高比
抵抗を有する。また、光吸収係数についても所定の波長
範囲に亘って極めて高いものとなっている。さらに、ダ
イヤモンドライクカーボンの層は高い耐熱性を有し、か
つ、表面平滑性を高いものとすることができる。したが
って、ダイヤモンドライクカーボンから形成した光吸収
層は、その高比抵抗のゆえに光変調層に印加される電界
分布をシャープなものとすることができる。また、光伝
導層と光変調層との光アイソレーションを高め、読出し
光が光伝導層に入射することを十分に防止して、読出し
た画像の質を高めることができる。さらに、その高耐熱
性及び表面平滑性のゆえに光変調層との接着が容易なも
のとなる。

【００２０】この場合、光伝９導層を光伝導材料である
Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀単結晶またはＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀単結晶から
形成し、この光伝導層と光吸収層とをＳｉＯ₂等から形
成したバッファ層を介して付着させるならば、これら光
伝導層及び光吸収層の密着性を高めることができる。

【００２１】

【実施例】図１は、第１実施例に係る空間光変調素子の
構成を示した図である。ＢＳＯウェハ３０の一方の面上
には、光吸収層３１、誘電体ミラー３２、高分子液晶複
合膜３３、ＩＴＯ透明電極３４及びガラス板３５が順次
重なっている。また、ＢＳＯウェハ３０の他方の面上に
は、ＩＴＯ透明電極３６が密着されている。

【００２２】図１の空間光変調素子は以下のようにして
作製した。まず、両面を光学研磨した３５×３５×０．
５ｍｍ³のＢＳＯ（１００）ウェハ３０の一方の面に、
Ｉｎ₂Ｏ₃に５％のＳｎを添加した組成のＩＴＯ透明電
極３６をコーティングし、他方の面に、ダイヤモンドラ
イクカーボンからなる厚さ１．１μｍの薄膜の光吸収層
３１と、ＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂の多層膜からなる誘電体
ミラー３２とを順次形成した。光吸収層３１となるべき
ダイヤモンドライクカーボンはメタンガスを原料として
プラズマＣＶＤ法によりコーティングした。得られた光
吸収層３１は４５０ｎｍの光に対し透過率０．０２％で
あった。誘電体ミラー３２を構成するＴｉＯ₂等の多層
膜は電子ビーム蒸着法によりコーティングした。得られ
た誘電体ミラー３２は４１０〜４９０ｎｍの光に対し透
過率９７％以上の反射率を有していた。

【００２３】次に、両面を光学研磨した４０×４０ｍｍ
²のガラス板（ＢＫ７）３５の片面にＩＴＯ透明電極３
４を形成した。このガラス板３５上のＩＴＯ透明電極３
４上に膜厚２０μｍの高分子液晶複合膜３３をコーティ
ングした。この高分子液晶複合膜３３は、液晶とポリマ
ーマトリックスとを混合して形成している。具体的に
は、液晶としてネマティック液晶を使用するとともにポ
リマーマトリックスとしてアクリル系高分子を使用し、
これらを配合比１：１で混合した。コーティングした複
合膜中では、それぞれによりドメインが形成された。こ
の場合、ネマティック液晶の常光屈折率とアクリル系高
分子の屈折率とが一致するように調整されていた。

【００２４】最後に、誘電体ミラー３２と高分子液晶複
合膜３３とを圧着して貼合わせ、ＢＳＯウェハ３０とガ
ラス板３５とを一体化した。この結果、図１のような空
間光変調素子が得られた。

【００２５】図２は、図１の空間光変調素子で光吸収層
３１として用いるダイヤモンドライクカーボン膜の透過
率の波長依存性を参考のために示した図である。測定に
用いたのは、プラズマＣＶＤ法でコーティングした膜厚
１．３μｍのダイヤモンドライクカーボン膜であった。
図示のように、このダイヤモンドライクカーボン膜は波
長領域４００〜５５０ｎｍで透過率が低く、この波長領
域で光伝導効果を有する光伝導材料を空間光変調素子の
光伝導層に用いた場合にその光吸収層の材料として適し
ていることが分かる。また、比抵抗が２．２×１０⁸Ω
ｃｍと高く、表面平滑性も極めて良好である。すなわ
ち、ダイヤモンドライクカーボン膜から形成した光吸収
層は、高光吸収係数、高比抵抗、高耐熱性及び表面平滑
性を備えている。

【００２６】以上のようにして形成された空間光変調素
子を、図３に示すような光学系にセットしてその動作特
性を評価した。この光学系では、書込み用光源５０より
出射される書込み光は、凸レンズ５１で平行光化された
後に液晶パネル５２に照射され、液晶パネル５２に表示
されている入力画像が凸レンズ５３を介して測定用の空
間光変調素子５４上に結像される。一方、表示用光源６
０から出射される読出し光は、凸レンズ６１を通って反
射鏡６２で光路偏向され、レンズ６３を通って空間光変
調素子５４に照射される。空間光変調素子５４の出力光
は、再びレンズ６３を通過した後、レンズ６４を通過し
てスクリーン６５に青色画像として拡大投影される。

【００２７】書込み用光源５０としては、キセノンラン
プを使用し、またその書込み光は、ＢＳＯが高い感度を
有する波長４００〜５５０ｎｍの短波長光とした。読出
し光としては、透過帯域４００〜５００ｎｍの青色ダイ
クロイックフィルタを通したキセノンランプ光を使用し
た。その出力光は、スクリーン６５上に対角長２ｍで拡
大投影された。このとき、空間光変調素子５４には２０
Ｖ_rms、１００Ｈｚの電圧を印加した。また、液晶パネ
ル５２は、対角長７６ｍｍで画素数９万のものを用い
た。

【００２８】液晶パネル５２にビデオ画像を入力し、ス
クリーン６５に投射して空間光変調素子５４の特性を測
定した。ＢＳＯが光伝導感度を持たず空間光変調素子５
４中に光吸収層が不要な赤色光を発生する表示用光源を
用いた赤色表示の画像と比較すると、投射された青色画
像は分解能・コントラストともにやや劣るものであった
が、従来のポリイミドフィルム等の光吸収層を用いた素
子の投射画像に比べるとかなり鮮明な画像を得ることが
できた。

【００２９】図４は、第２実施例に係る空間光変調素子
の構成を示した図である。この空間光変調素子は、ＢＳ
Ｏウェハ３０と光吸収層３１との間にバッファ層１３１
を設けている。その他、図１の第１実施例と同一部分に
ついては同一の符号を付してその説明を省略する。

【００３０】図４の空間光変調素子は以下のようにして
作製した。まず、ＢＳＯウェハ３０の一方の面にＩＴＯ
透明電極３６をコーティングした。次に、ＢＳＯウェハ
３０の他方の面に、ＳｉＯ₂からなる厚さ０．３μｍの
バッファ層１３１と、ダイヤモンドライクカーボンから
なる厚さ１．１μｍの薄膜の光吸収層３１を順次形成し
た。その次に、多層膜からなる誘電体ミラー３２を形成
した。光吸収層３１及び誘電体ミラー３２の形成は、第
１実施例と同様であった。バッファ層１３１の形成は、
誘電体ミラー３２と同様に電子ビーム法によるコーティ
ングとした。次に、ガラス板３５の片面にＩＴＯ透明電
極３４を形成し、さらにその上に厚さ２０μｍの高分子
液晶複合膜３３をコーティングした。この高分子液晶複
合膜３３は、第１実施例と同様に、ネマティック液晶と
これと同等の屈折率を有する樹脂マトリックスとを混合
して形成している。最後に、誘電体ミラー３２と高分子
液晶複合膜３３とを圧着して貼合わせ、ＢＳＯウェハ３
０、ガラス板３５等を一体化した。この結果、図４のよ
うな空間光変調素子が得られた。

【００３１】以下、バッファ層１３１をＢＳＯウェハ３
０と光吸収層３１との間に介在させた理由について簡単
に説明する。

【００３２】光吸収層３１として用いるダイヤモンドラ
イクカーボン膜は、４５０ｎｍでの透過率が０．０２％
で、吸収係数が６５，５００ｃｍ^-1であり、膜厚１．０
５μｍで透過率０．１％以下の性能が得られることが分
かる。また既に述べたように、ダイヤモンドライクカー
ボン膜は、高比抵抗、高耐熱性及び表面平滑性を備てい
る。しかし、ダイヤモンドライクカーボンは、その線膨
脹係数が１〜３×１０^-6℃^-1で、例えばＢＳＯの線膨脹
係数１６×１０^-6℃^-1と大きく異なる。このため、ＢＳ
Ｏ、ＢＧＯ等のウェハ上に直接ダイヤモンドライクカー
ボンをコーティングしても剥離しやすく密着性に乏しい
といった問題がある。そこで、第２実施例では、両者の
間にこれらの中間の線膨脹係数（５〜１０×１０
^-6℃^-1）を有するＳｉＯ₂のバッファ層１３１を挿入し
てダイヤモンドライクカーボンの光吸収層３１が剥離す
ることを防止する。

【００３３】以上のようにして形成された空間光変調素
子を、図３に示すような光学系にセットしてその動作特
性を評価した。

【００３４】液晶パネル５２にビデオ画像を入力し、ス
クリーン６５に投射して空間光変調素子の特性を測定し
た。第１実施例の空間光変調素子と同様に、赤色表示の
画像と比較すると投射された青色画像は分解能・コント
ラストともにやや劣るものであったが、従来のポリイミ
ドフィルム等の光吸収層を用いた素子の投射画像に比べ
るとかなり鮮明な画像を得ることができた。

【００３５】本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。例えば、ダイヤモンドライクカーボンが５００ｎ
ｍ以下の短波長光に対して高い遮光性を有するので、光
伝導材料としてこの波長領域に高い感度をもつ各種の材
料を使用できる。このような光伝導材料としては、ＢＳ
Ｏの他、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀（ＢＧＯ）、ａ−ＳｉＣ等を用
いることができる。また、バッファ層として、ＳｉＯ₂
の他に、光伝導層及び光吸収層の中間の線膨脹係数を有
し、これらと密着性の良い各種の材料を使用することが
できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の空間光変
調素子は、ダイヤモンドライクカーボンから形成した光
吸収層を、誘電体ミラーと光伝導層との間に設けてい
る。したがって、ダイヤモンドライクカーボンの高比抵
抗によって光変調層に印加される電界分布をシャープな
ものとすることができる。また、光伝導層と光変調層と
の光アイソレーションを高め、読出し光が光伝導層に入
射することを十分に防止して、読出した画像の質を高め
ることができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン
の高耐熱性及び表面平滑性のゆえに光変調層との接着が
容易かつ確実なものとなる。よって、本発明の空間光変
調素子は、鮮明な画像を表示することができ、高解像度
の画像ディスプレイ等の用途に効果的に利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の空間光変調素子の構成を示す断面
図。

【図２】図１の空間光変調素子の形成に用いるダイヤモ
ンドライクカーボン膜の透過率波長依存性の一例を示し
た図。

【図３】空間光変調素子の特性を評価するための光学系
を示した模式図。

【図４】第２実施例の空間光変調素子の構成を示す断面
図。

【図５】従来の空間光変調素子の一例の構成図。

【図６】従来の空間光変調素子の他の例の構成図。

【符号の説明】

３０…光伝導層、３１…光吸収層、３２…誘電体ミラ
ー、３３…光変調層、１３１…バッファ層。代理人弁理士長谷川芳樹

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊池宏東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者多田紘二大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光伝導材料から形成された光伝導層と、印加電圧に応じて入射した光の状態を変化させる光変調
層と、前記光伝導層と前記光変調層との間に設けられた誘電体
ミラーと、前記誘電体ミラーと前記光伝導層との間に設けられたダ
イヤモンドライクカーボンからなる光吸収層と、を備える空間光変調素子。
【請求項２】前記光伝導層を光伝導材料であるＢｉ₁₂
ＳｉＯ₂₀単結晶から形成し、この光伝導層と前記光吸収
層とをＳｉＯ₂から形成したバッファ層を介して付着さ
せていることを特徴とする請求項１記載の空間光変調素
子。
【請求項３】前記光伝導層を光伝導材料であるＢｉ₁₂
ＧｅＯ₂₀単結晶から形成し、この光伝導層と前記光吸収
層とをＳｉＯ₂から形成したバッファ層を介して付着さ
せていることを特徴とする請求項１記載の空間光変調素
子。