JPH0652348B2 - 光変調素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、光変調素子、特に回折格子と屈折率可変物質
とを組合せて屈折率可変物質の屈折率を制御することに
より入射光の所望の回折現象を生じせしめる光変調素子
に関する。

〔従来技術〕

従来から良く知られている光変調素子としては、互いに
偏光方向が直交する様に配した一対の偏光板と、この一
対の偏光板間に配され一対の透明基板の相対する基板面
に互い直交する配向処理を施して液晶を封入した素子と
から成り、この液晶の配向状態をねじれた状態と基板面
に垂直に向いた状態との間でスイッチングを行ない入射
光の変調をする所謂ＴＮ（ツウイストネマチツク）型の
液晶表示素子がある。この種の表示素子は構成が簡便で
駆動が容易なことから多岐に亘り利用されているが、２
枚の偏光板を利用して光束の透過及び遮断を行なう為に
消色時、即ち光透過時の透過率が悪く光束利用効率の面
からは好ましい光変調素子とは言えなかった。

又、液晶を利用した同種の表示素子として、液晶分子に
色素を混入させて用いる所謂ゲスト−ホストモードの液
晶表示素子があるが、この表示素子に於ても色素が介在
する為に消色時の透過率は良くても７５％程度であっ
た。

一方、特公昭５３−３９２８号公報やＵＳＰ４，２５
１，１３７等に於て反射型や透過型の位相回折格子と液
晶とを組合せた表示素子や可変減色フイルター素子が開
示されている。これらで開示されている素子は確かに光
束利用効率は優れているが、特公昭５３−３９２８号公
報に開示されている素子は単なる装飾効果を示すのみで
あり、文字や画像を表示する表示素子や光束の透過、遮
断を行なう光変調素子としては満足出来るものではなっ
た。又、ＵＳＰ４，２５１，１３７に開示されている可
変減色フイルター素子は一対の対向する基板面に互いに
配列方向が直交する様に等方性材料にて、回折格子を形
成し、この基板間に液晶を充填して液晶分子の配向状態
を制御することにより屈折率を変え、回折格子を成す物
質と液晶との屈折率差を変えることで分光透過率特性を
可変にするもの等であり、光束利用効率に優れ且つ可変
色フイルターとして高性能を有する。しかしながら、こ
の種の従来の回折格子を用いた光変調素子は液晶がホモ
ジニアス配向しているため静的状態に於て入射光を回折
してしまっていた為、実際に表示素子として用いる際は
無表示状態即ち入射光束が全て透過する状態を維持する
為に常時電圧等を印加しておく必要があった（ノーマリ
ークローズ）。従って、電力を多く消費する。信頼性が
大巾に低下するなど表示素子として好ましくない問題点
をかかえていた。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、電界無印加
時に於て無表示状態を維持出来る回折光変調タイプの光
変調素子を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る光変調素子は、
一対の基板と該一対の基板の相対する少なくとも一方の
面に存する回折格子と該回折格子の溝部に配された液晶
と該液晶の配向状態を制御する制御手段とを有する素子
であって、前記制御手段を駆動しない静的状態に於いて
入射光を大略全透過させることを特徴としている。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例より明らか
になるであろう。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る光変調素子の基本構成図を示し、
本光変調素子の機能説明図を兼ねている。図中、１は液
晶に代表される屈折率可変物質、２は使用波長に対して
透明な物質から成る回折格子、３は透明電極、４は透明
光学部材から成る透明基板、５は任意の偏光特性を有す
る入射光、６及び６′は入射光５の互いに直交する偏光
成分で、６は紙面垂直方向、６′は紙面に平行な方向を
示している。

本光変調素子は一対の透明基板４の対向する面上に透明
電極３を形成して、一対の透明基板４の一方の透明電極
３上に透明物質から成る矩形状の回折格子２を設けてお
り、屈析率可変物質１が回折格子２の溝部（凹部）に配
され、透明電極３を介して電界を印加されることにより
その屈析率が可変となっている。

以下、第１図を用いて本光変調素子の変調原理を説明す
るが、説明を容易にする為、屈析率可変物質１を以後液
晶１とし、電界印加により液晶１の配向状態を制御する
ことで所定の回折作用を生じせしめるものとする。

第１図に示す如く電界が印加されていない静的状態に於
て、液晶１は回折格子２の配列面と垂交する方向即ち紙
面上下方向に配向され、ホメオトロピツク配向の状態を
維持しているものとする。従って、この静的状態の本光
変調素子に入射する任意の偏光成分を有する入射光５の
偏光成分６，６′は液晶１の常屈析率ｎｏを感じる。

ここで、回折格子２を成す物質の屈析率をｎｇ，入射光
５の波長をλ、回折格子２の厚さをＴとすれば矩形波の
回折格子の場合、入射光５の偏光成分６，６′の夫々に
対する零次透過回折光の回折効率ηｏは、概略次の
（１）式で表わせる。

但し、Δｎは回折格子２の屈析率ｎｇと液晶１の屈析率
ｎｅもしくはｎｏとの屈析率差を示している。

従って、（１）式からΔｎ＝０時に零次透過回折光の回
折効率ηｏはηｏ＝１となり、 又、 （ｍ＝０，１，２，３，……）の時に回折効率ηｏはη
ｏ＝０となる。

次に、透明電極３を介して液晶１に電界を印加する場
合、液晶１の配向方向（光学軸方向）が徐々に変化する
ものとする。入射光５に於ける偏光成分６′は電界印加
に無関係に常時液晶１の常屈析率ｎｏを感じ、偏光成分
６は電界印加量に従って液晶１の異常屈析率ｎｅと常屈
析率ｎｏとが所定の比率で合成された合成屈析率ｎ_θを
感じる。言うまでもなく、液晶１の配向方向の変化に伴
なって合成屈析率ｎ_θは変化する。更に電界印加量を強
めると、液晶１は基板４（透明電極３）及び格子溝方向
に平行に配向され、ホモジニアス配向状態となる。

このとき入射光５の偏光成分６，６′の内、液晶１の配
向方向と直交する成分である偏光成分６′は液晶１の常
屈析率ｎｏを感じ、又、液晶１の配向方向と平行な成分
である偏光成分６は液晶１の異常屈析率ｎｅを感じる。

尚、この状態に於ても入射光５は前記（１）式に従い変
調される。

ここで ｎｇ＝ｎｏとおけば （１）式より 静的状態において、入射光の偏光成分６，６′は非回折
状態、即ち全透過状態と成る。

一方、電界をかけ飽和した状態において入射光の偏光成
分６，６′のうち、６′は非回折状態即ち透過状態。６
は回折状態と成る。

以上より原理的にはノーマリーオープンが達成される。

以下、本光変調素子の具体的構成例を述べて説明する。
通常の一対のガラス基板を用い、夫々のガラス基板の一
方の面にＩＴＯ等の透明電極を形成し、各々のＩＴＯ面
に対して、配向剤としてオクタデシルトリエトキシシラ
ン０．５ｗｔ％エタノール溶液をスピンコートにより塗
布し、１００℃で１時間処理を施した後で、ラビング処
理を行った。次にラビング処理を行った一方の基板上に
電子線レジストで回折格子を形成して両基板を透明電極
が相対する様に貼り合せ、両基板間に負の誘電異方性を
示すネマチツク液晶即ちＮｒ液晶を充填し、第１図で示
すが如く光変調素子を作成した。

上述の如き製法で作成した光変調素子においては液晶分
子は回折格子の厚さ方向、即ち基板面に対して垂直方向
に配向され、静的状態に於て所謂ホメオトロピツク配向
を示した。

又、Ｎｒ液晶であるので電界を印加するに従い、入射光
が変調され電界飽和后所定の０次回折色を示した。

尚、本実施例で用いる配向剤や配向処理の程度は、一般
に回折格子の溝による物理的な配向規制力に打ち勝ち、
回折格子溝部に存する液晶をホモジニアス配向からホメ
オトロピツク配向へと強制配向させるだけの規制力が得
られるように選択された。

第２図は本発明に係る光変調素子の他の実施例を示す模
式図で、図中、第１図と同部材には同符号を符してあ
る。又、７及び７′は液晶の如き屈析率可変物質１の光
学軸の方向を示す。更に、２′は回折格子（不図示）、
３′は透明電極、４′は透明基板を示している。

本実施例では回折格子２，２′を配列方向が直交する様
に重畳して構成した素子を示し、第１図の光変調素子を
一対用いて形成したものである。この様な構成にするこ
とで第１図で示した入射光５の偏光成分６，６′を同時
に変調することが可能である。

又、本光変調素子の回折格子の形状は矩形状に限らず種
々の形状を用いることが出来る。但し前記（１）式で示
した様子回折効率の式は回折格子の形状により異なる。

以上説明した様に、本実施例に係る光変調素子に於て
は、電界無印加時には“明”状態、即ち全透過状態で、
電界印加時には“暗”、即ち変調状態（表示状態）が得
られる為、通常状態（“明”状態）での電流消費がな
く、素子を駆動する為に用いられる駆動回路の設計自由
度も増す。

又、透明電極の電触速度も遅くなり、素子としての信頼
性が著しく向上する。従って、表示素子や色フイルタ
ー、光スイツチ等、本光変調素子の適用範囲は大きく拡
がっている。

更に、当然の事ながら、従来の液晶を利用した表示素子
の様に偏光板や光吸収性物質（例えば色素）を用いない
為に光束利用効率に優れる。

本発明に係る光変調素子を成す回折格子は第１図から解
る様に、凹凸のレリーフパターンから成る所謂位相型の
回折格子であり、この種のレリーフパターンを形成する
方法としては、例えばフオトリソグラフイーとドライエ
ツチングを組み合わせた方法、熱硬化性樹脂あるいは紫
外線硬化性樹脂等を用いたレプリカ法、ルーリングエン
ジンを用いた切削法あるいはエンボス法等の各種方法が
挙げられる。

〔発明の効果〕

以上、本発明に係る光変調素子は、静的状態に於て全透
過状態を得て、無表示状態の安定化を可能にした表示素
子や色フイルター等に好適な素子である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光変調素子の基本構成原理を示す
図。 第２図は本発明に係る光変調素子の他の実施例を示す
図。 １……屈析率可変物質（液晶） ２，２′……回折格子 ３，３′……透明電極 ４，４′……透明基板 ５……入射光 ６，６′……互いに直交する偏光成分 ７，７′……屈析率可変物質の光学軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の基板と該一対の基板の相対する少な
   くとも一方の面に存する回折格子と該回折格子の溝部に
   配された液晶と該液晶の配向状態を制御する制御手段と
   を有する素子であって、前記制御手段を駆動しない静的
   状態に於いて入射光を大略全透過させる光変調素子。
2. 【請求項２】前記基板と前記回折格子の溝部の少なくと
   も一方に垂直配向処理を施した特許請求の範囲第（１）
   項記載の光変調素子。
3. 【請求項３】前記液晶が負の誘電性を有するネマチツク
   液晶である特許請求の範囲第（１）項記載の光変調素
   子。
4. 【請求項４】前記制御手段が電界印加を行なう手段であ
   って、前記回折格子の配列面に略垂直な電界を印加する
   特許請求の範囲第（３）項記載の光変調素子。