JPH0652353B2 - 光変調素子 - Google Patents
光変調素子Info
- Publication number
- JPH0652353B2 JPH0652353B2 JP61082922A JP8292286A JPH0652353B2 JP H0652353 B2 JPH0652353 B2 JP H0652353B2 JP 61082922 A JP61082922 A JP 61082922A JP 8292286 A JP8292286 A JP 8292286A JP H0652353 B2 JPH0652353 B2 JP H0652353B2
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- Japan
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- liquid crystal
- diffraction grating
- light
- transparent
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜技術分野＞ 本発明は、光変調素子、特に回折格子と液晶とを組み合
わせて液晶の屈折率を制御することにより入射光に所望
の回折現象を生じせしめる光変調素子に関する。
わせて液晶の屈折率を制御することにより入射光に所望
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
に互いに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ツチングを行ない入
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。
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
に互いに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ツチングを行ない入
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７０％程度であった。
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７０％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
なう交変調素子としては満足出来るものではなかった。
又、ＵＳＰ４，２５１，１３７に開示されている色フイ
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
光変調素子は一般に静的状態に於ても入射光を回折して
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。従って、電力
を多く消費する、液晶の配向状態等に依存する為に無表
示状態に於る素子の透過特性が不安定である等、表示素
子としては好ましくない問題をかかえていた。
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
なう交変調素子としては満足出来るものではなかった。
又、ＵＳＰ４，２５１，１３７に開示されている色フイ
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
光変調素子は一般に静的状態に於ても入射光を回折して
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。従って、電力
を多く消費する、液晶の配向状態等に依存する為に無表
示状態に於る素子の透過特性が不安定である等、表示素
子としては好ましくない問題をかかえていた。
＜発明の概要＞ 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、安定した無
表示状態が得られ、表示素子として用いるのに好適な光
変調素子を提供することにある。
表示状態が得られ、表示素子として用いるのに好適な光
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、
所定の部材から成る位相型回折格子と該回折格子の溝部
に存する液晶と該液晶の配向状態を変化せしめる制御手
段とを有する素子であって、前記制御手段が前記回折格
子の側面に設けた電極を有することを特徴とする。
所定の部材から成る位相型回折格子と該回折格子の溝部
に存する液晶と該液晶の配向状態を変化せしめる制御手
段とを有する素子であって、前記制御手段が前記回折格
子の側面に設けた電極を有することを特徴とする。
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。
になるであろう。
＜実施例＞ 第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光変調素子の一実
施例を示す模式図で、１は透明基板、２は透明電極、３
は透明絶縁膜、４は液晶、５は回折格子を成す透明絶縁
体、６は透明保護膜で絶縁膜を兼ねる。７はスイツチ、
８は駆動電源、９は入射光、１０は零次回折光、１０′
は高次回折光を示す。
施例を示す模式図で、１は透明基板、２は透明電極、３
は透明絶縁膜、４は液晶、５は回折格子を成す透明絶縁
体、６は透明保護膜で絶縁膜を兼ねる。７はスイツチ、
８は駆動電源、９は入射光、１０は零次回折光、１０′
は高次回折光を示す。
ここで、第１図（Ａ）はスイツチ７がＯＦＦ状態の電界
無印加の状態、第１図（Ｂ）はスイツチ７がＯＮ状態の
電界印加状態を示しており、又、本実施例に於ては液晶
１として正誘電性ネマチツク液晶を用いるものとする。
無印加の状態、第１図（Ｂ）はスイツチ７がＯＮ状態の
電界印加状態を示しており、又、本実施例に於ては液晶
１として正誘電性ネマチツク液晶を用いるものとする。
本実施例に於る光変調素子は、一対の透明基板１の夫々
の片面に透明絶縁膜を形成し、一方の透明基板１の透明
絶縁膜３上に透明絶縁体５からなる矩形状の回折格子を
形成して、該回折格子の側面及び透明絶縁膜３と該回折
格子との界面に透明電極２を設け、該回折格子を透明保
護膜６で被って、回折格子を有する透明基板１と他方の
透明基板１とを透明保護膜３が対向する様に貼り合わせ
て、間隙部に液晶４を封入して構成されている。尚、隣
り合う凸部の透明電極２はリード線を介して駆動電源８
及びスイツチ７と接続されている。更に透明絶縁膜３に
は垂直配向処理が施されており、液晶４の分子は垂直配
向、所謂ホメオトロピツク配向をしている。
の片面に透明絶縁膜を形成し、一方の透明基板１の透明
絶縁膜３上に透明絶縁体５からなる矩形状の回折格子を
形成して、該回折格子の側面及び透明絶縁膜３と該回折
格子との界面に透明電極２を設け、該回折格子を透明保
護膜６で被って、回折格子を有する透明基板１と他方の
透明基板１とを透明保護膜３が対向する様に貼り合わせ
て、間隙部に液晶４を封入して構成されている。尚、隣
り合う凸部の透明電極２はリード線を介して駆動電源８
及びスイツチ７と接続されている。更に透明絶縁膜３に
は垂直配向処理が施されており、液晶４の分子は垂直配
向、所謂ホメオトロピツク配向をしている。
以下、本光変調素子の機能に関して述べる。
第１図（Ａ）に示す状態、即ちスイツチ７がＯＦＦで透
明電極２間に電圧が印加されていない状態では、前述の
如く液晶４はホメオトロピツク配向をしており、基板１
に対して垂直な方向へ長軸が向いている。この時、入射
光９はその偏光状態に係わりなく液晶４の常屈折率ｎｏ
を感じる為、透明電極２と透明保護膜６の膜厚が回折格
子のライン幅（凸部の幅）に比べ十分小さいとすれば、
透明絶縁体５の屈折率ｎｇを液晶４の常屈折率ｎｏと等
しく設定しておくことにより、入射光９は回折作用を受
けることなく本素子を素通りし、零次の出射光１０とし
て出射する。
明電極２間に電圧が印加されていない状態では、前述の
如く液晶４はホメオトロピツク配向をしており、基板１
に対して垂直な方向へ長軸が向いている。この時、入射
光９はその偏光状態に係わりなく液晶４の常屈折率ｎｏ
を感じる為、透明電極２と透明保護膜６の膜厚が回折格
子のライン幅（凸部の幅）に比べ十分小さいとすれば、
透明絶縁体５の屈折率ｎｇを液晶４の常屈折率ｎｏと等
しく設定しておくことにより、入射光９は回折作用を受
けることなく本素子を素通りし、零次の出射光１０とし
て出射する。
一方、第１図（Ｂ）に示す状態、即ちスイツチ７がＯＮ
で透明電極２間に所定電圧が印加されている状態では、
液晶４の分子の長軸は電界方向に揃い、図示する様に基
板１の面に対して平行な方向へ配向される（ホモジニア
ス配向）。この時、入射光９の偏光成分の内、液晶４の
配向方向と同方向の偏光成分は液晶４の異常屈折率ｎｅ
を感じる。従って、この偏光成分の光が液晶４の通過す
る際の光路長と透明絶縁体５を通過する際の光路長との
間の光路長差が丁度λ／２（λは入射光の波長）になる
様に液晶４の異常屈折率ｎｅと透明絶縁体５の屈折率ｎ
ｇと回折格子の高さＴとを設定することにより、入射光
９は零次の出射光１０となることはなく全て高次回折光
１０′となり出射する。尚、高次回折光１０′の回折角
（出射角）は波長λと回折格子のピツチに依存するもの
である。
で透明電極２間に所定電圧が印加されている状態では、
液晶４の分子の長軸は電界方向に揃い、図示する様に基
板１の面に対して平行な方向へ配向される（ホモジニア
ス配向）。この時、入射光９の偏光成分の内、液晶４の
配向方向と同方向の偏光成分は液晶４の異常屈折率ｎｅ
を感じる。従って、この偏光成分の光が液晶４の通過す
る際の光路長と透明絶縁体５を通過する際の光路長との
間の光路長差が丁度λ／２（λは入射光の波長）になる
様に液晶４の異常屈折率ｎｅと透明絶縁体５の屈折率ｎ
ｇと回折格子の高さＴとを設定することにより、入射光
９は零次の出射光１０となることはなく全て高次回折光
１０′となり出射する。尚、高次回折光１０′の回折角
（出射角）は波長λと回折格子のピツチに依存するもの
である。
即ち、第１図（Ａ），（Ｂ）に示す様な矩形状回折格子
に於る零次透過回折光（図中、出射光１０）の回折効率
ηｏは次の（１）式で近似的に表わすことが出来る為、
所定波長λの光の回折効率ηｏをηｏ≒０とするには
（２）式の条件を満足させれば良いものである。
に於る零次透過回折光（図中、出射光１０）の回折効率
ηｏは次の（１）式で近似的に表わすことが出来る為、
所定波長λの光の回折効率ηｏをηｏ≒０とするには
（２）式の条件を満足させれば良いものである。
但し、Δｎ＝｜ｎｅ−ｎｇ｜である。
尚、第１図（Ｂ）に於て、入射光９の偏光成分の内、液
晶４の配向方向と垂交する方向、即ち回折格子の溝方向
に偏光した偏光成分はスイツチ７がＯＮの電界印加状態
であっても、液晶４の常屈折率ｎｏを感じる。従って、
入射光９のこの偏光成分は本実施例に於る光変調素子で
は変調し得ない。従って、任意の偏光特性の入射光を変
調する為には、例えば第１図に示す如き素子を２個用い
て互いに回折格子の配列方向が直交する様に重畳させて
構成すれば良く、重畳した夫々の素子が独立して互いに
直交する偏光成分を変調することが可能である。
晶４の配向方向と垂交する方向、即ち回折格子の溝方向
に偏光した偏光成分はスイツチ７がＯＮの電界印加状態
であっても、液晶４の常屈折率ｎｏを感じる。従って、
入射光９のこの偏光成分は本実施例に於る光変調素子で
は変調し得ない。従って、任意の偏光特性の入射光を変
調する為には、例えば第１図に示す如き素子を２個用い
て互いに回折格子の配列方向が直交する様に重畳させて
構成すれば良く、重畳した夫々の素子が独立して互いに
直交する偏光成分を変調することが可能である。
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、“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。
は、電界無印加時に、“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、透明電極の電蝕速度も遅くなり、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。
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。
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の形成する
方法としては、例えばフオトリングラフィーとドライエ
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。
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の形成する
方法としては、例えばフオトリングラフィーとドライエ
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。
又、本実施例に於ては回折格子の形状として矩形状のも
のを有する素子を示しているが、この形状が如何なる形
であっても光の変調は可能である。例えば、三角波状や
正弦波状、及び非対称形状等各種形状の回折格子を用い
ることが出来、回折光間の分離角は回折格子のピツチと
入射光の波長に依存し、例えば零次透過回折光の分光透
過率特性は回折格子の形状（波形プロフイール）と高さ
Ｔ、及び屈折率差Δｎに主として依存する。即ち、矩形
状回折格子に於る零次透過回折光の回折効率ηｏを表わ
す前記（１）式は、三角波状や正弦波状の回折格子に於
る回折効率に対しては適用出来ず、設計の際は夫々の回
折格子形状に対応する式を用いる。
のを有する素子を示しているが、この形状が如何なる形
であっても光の変調は可能である。例えば、三角波状や
正弦波状、及び非対称形状等各種形状の回折格子を用い
ることが出来、回折光間の分離角は回折格子のピツチと
入射光の波長に依存し、例えば零次透過回折光の分光透
過率特性は回折格子の形状（波形プロフイール）と高さ
Ｔ、及び屈折率差Δｎに主として依存する。即ち、矩形
状回折格子に於る零次透過回折光の回折効率ηｏを表わ
す前記（１）式は、三角波状や正弦波状の回折格子に於
る回折効率に対しては適用出来ず、設計の際は夫々の回
折格子形状に対応する式を用いる。
又、本実施例では所謂透過型の光変調素子を示している
が、反射型の光変調素子として用いることも可能であ
る。この場合、第１図に於る一対の透明電極３の内一方
を使用波長（域）に於て反射特性を備えた部材で構成し
たり、又は基板１と透明電極３の界面に反射膜を施す
か、回折格子を成す凹凸のレリーフパターン全面に反射
膜を形成すれば良い。
が、反射型の光変調素子として用いることも可能であ
る。この場合、第１図に於る一対の透明電極３の内一方
を使用波長（域）に於て反射特性を備えた部材で構成し
たり、又は基板１と透明電極３の界面に反射膜を施す
か、回折格子を成す凹凸のレリーフパターン全面に反射
膜を形成すれば良い。
更に、第１図に示す素子に於ては透明電極２が透明保護
膜３との界面にも形成してあるが、この界面には必ずし
も透明電極２を形成する必要はなく、第１図の素子の如
く所謂正誘電性ネマチツク液晶に対して横電界（基板１
の面に平行な電界）を印加出来れば良い。従って、通
常、回折格子を形成している透明絶縁体の側壁に形成さ
れていれば良い。又、液晶の配向状態を制御する手段と
しては電界に限られるものではなく、熱や磁界等を発す
る制御手段を用いることも可能であるが、素子構成や制
御方法の簡便さや応答特性等を鑑みると電界による制御
が最も好ましい。
膜３との界面にも形成してあるが、この界面には必ずし
も透明電極２を形成する必要はなく、第１図の素子の如
く所謂正誘電性ネマチツク液晶に対して横電界（基板１
の面に平行な電界）を印加出来れば良い。従って、通
常、回折格子を形成している透明絶縁体の側壁に形成さ
れていれば良い。又、液晶の配向状態を制御する手段と
しては電界に限られるものではなく、熱や磁界等を発す
る制御手段を用いることも可能であるが、素子構成や制
御方法の簡便さや応答特性等を鑑みると電界による制御
が最も好ましい。
＜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。
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。
第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光変調素子の一実
施例を示す模式図で、第１図（Ａ）は静的状態、第１図
（Ｂ）は駆動状態を示す。 １……透明基板 ２……透明電極 ３……透明絶縁膜 ４……液晶 ５……透明絶縁体（回折格子） ６……透明保護膜 ７……スイツチ ８……駆動電源 ９……入射光 １０……零次回折光 １０′……高次回折光
施例を示す模式図で、第１図（Ａ）は静的状態、第１図
（Ｂ）は駆動状態を示す。 １……透明基板 ２……透明電極 ３……透明絶縁膜 ４……液晶 ５……透明絶縁体（回折格子） ６……透明保護膜 ７……スイツチ ８……駆動電源 ９……入射光 １０……零次回折光 １０′……高次回折光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 隆之 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 大久保 幸俊 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】所定の部材から成る回折格子と該回折格子
の溝部に存する液晶と該液晶の配向状態を変化せしめる
制御手段とを有する素子であって、前記制御手段が前記
回折格子の側面に設けた電極を有する光変調素子。 - 【請求項２】前記液晶が正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。 - 【請求項３】前記制御手段が電界印加を行なう手段であ
って、前記回折格子の凸部側面に電極を有する特許請求
の範囲第（２）項記載の光変調素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61082922A JPH0652353B2 (ja) | 1986-04-09 | 1986-04-09 | 光変調素子 |
| US07/033,773 US4850681A (en) | 1986-04-07 | 1987-04-03 | Optical modulation device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61082922A JPH0652353B2 (ja) | 1986-04-09 | 1986-04-09 | 光変調素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62238529A JPS62238529A (ja) | 1987-10-19 |
| JPH0652353B2 true JPH0652353B2 (ja) | 1994-07-06 |
Family
ID=13787731
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61082922A Expired - Fee Related JPH0652353B2 (ja) | 1986-04-07 | 1986-04-09 | 光変調素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0652353B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4984389B2 (ja) * | 2004-12-24 | 2012-07-25 | 旭硝子株式会社 | 横電界駆動液晶セルおよびそれを用いた波長可変フィルタ |
| JP7393066B2 (ja) * | 2022-04-13 | 2023-12-06 | 株式会社SteraVision | 液晶パネル及び光スイッチング素子 |
-
1986
- 1986-04-09 JP JP61082922A patent/JPH0652353B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62238529A (ja) | 1987-10-19 |
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