JPH0743663A - 光スイッチング素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入射光を効率良く利用して高いコントラスト
比の透過光を得ることができる光スイッチング素子を提
供することを目的とする。 【構成】 外場の印加により光路長が変化するととも
に、少なくとも一層の干渉層１６５を介して積層される
屈折率異方性が抑制された複数の液晶層１６３と、前記
外場を液晶層１６３に印加する透明電極１５５、１５７
と、液晶層１６３の少なくとも一側に形成され、液晶層
１６３の屈折率とは異なる屈折率の干渉層１５９、若し
くは１６１とを有する積層体であって、液晶層１６３の
光路長を可変して前記積層体を透過する光の干渉を制御
し、所要強度の光を得るようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光の干渉を利用して
光透過率が制御可能な光スイッチング素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光変調を行う手段として、液晶素
子を用いたものが知られている。このうち、例えば、捩
じれネマチック型液晶素子を用いたものは、一対の偏光
板を備えることを必須とする。しかし、偏光板を備えた
系においては、偏光板での透過光量の損失が大きいた
め、該損失を考慮して光変調を行う必要がある。

【０００３】また、上記光変調手段として、液晶の透過
率を変化させて所定波長域で透過光強度の明暗２値状態
を得る光スイッチング素子があり、例えば、ネマチック
型液晶の層の複屈折を制御して得られる複屈折効果を利
用するものが考えられる。該液晶は、互いに異なる屈折
率の隣接層を有し、電界の印加により、層の屈折率が変
化することを利用するものである。

【０００４】このような光スイッチング素子を、露光用
のシャッタとして利用した場合、光量の損失分を考慮し
て光源の光量を増やすか若しくは露光時間を延ばさなけ
ればならない。特に、露光時間を延ばして対処する場合
は、プリンタ等のスループットを落とす原因となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、偏光板
を用いた光学系では、偏光板での光量の損失は避けられ
ず光を効率良く変調しているとは言い難い。また、ネマ
チック液晶の干渉効果を利用したものにおいては、所望
の干渉効果を得るために、複数の層の屈折率を考慮しな
ければならず、注目波長において所望の干渉効果を得る
構造を設計することは困難である。

【０００６】一方、ネマチック型液晶を用いて光を効率
良く利用するスイッチング手段が、例えば、特開平４−
１４０７１４号公報に開示されている。該手段は、複屈
折プリズムで入射光をＰ偏光とＳ偏光に分離するととも
に、１／２波長板でＳ偏光をＰ偏光に偏向させ、２つの
Ｐ偏光をネマチック型液晶に入射するようにしたもので
ある。該手段によれば、２方向の偏光を利用して光の利
用効率を高めることができるものの、これら偏光変換系
での光の損失及び偏光変換系を備えたことによる構造の
複雑化は避けられない。

【０００７】そこでこの発明は、上記事情に鑑みて成さ
れたもので、入射光を効率良く利用して高いコントラス
ト比の透過光を得ることができる光スイッチング素子を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる光スイ
ッチング素子は、外場の印加により光路長が変化すると
ともに、少なくとも一層の光路長不変層を介して積層さ
れる屈折率異方性が抑制された複数の光路長可変層と、
前記外場を前記光路長可変層に印加する外場印加手段
と、前記光路長可変層の少なくとも一側に形成され、前
記光路長可変層の屈折率とは異なる屈折率の光路長不変
層とを有する積層体であって、前記光路長可変層の光路
長を可変して前記積層体を透過する光の干渉を制御し、
所要強度の光を得るようにしたものであり、さらに、前
記光路長可変層が、ツイスト液晶であり、若しくは、前
記光路長可変層が、散乱効果を有する光変調手段であ
り、若しくは、前記光スイッチング素子が、光源と、該
光源の光が照射される原画と、該原画の画像光が露光さ
れる感光材料とを有する光学系に配置され、前記光スイ
ッチング素子に印加される電圧を制御して、所要光量を
有する画像光を前記感光材料に露光するようにしたもの
である。

【０００９】

【作用】この発明に係わる前記手段によれば、積層体に
入射された光は干渉し、互いに強め合い、若しくは互い
に弱め合う。積層体を透過する光の干渉特性は、各層の
光路長に依存する。従って、光路長可変層の光路長を変
えて、積層体の光路長を変えることにより干渉光を制御
することができる。

【００１０】光路長可変層は、自然光を変調するため、
その屈折率異方性が抑制され、この結果、平均的屈折率
異方性が略０に設定されている。透過光の干渉特性は、
波長域毎に異なるが、所定波長域においては、良好なコ
ントラスト比が得られる。従って、特定波長域におい
て、コントラスト比が良好に得られるように各層の光路
長を決定することにより、良好なスイッチング特性が得
られる。さらに、干渉光の制御により、明暗２値以外の
中間強度の光が得られる。

【００１１】光路長可変層は、電場、磁場、若しくは音
場等の外場の印加に対応して光路長が変化する層であ
る。考慮する波長（以下、注目波長と記す）において所
望の干渉効果を得るための積層体の光路長範囲は、公知
の手法（H.A.Macleod 著: 光学薄膜,PP47 〜51(1989)参
照）に基づいて算出される。そして、該算出結果に基づ
き、さらに、良好な干渉効果を得るために各層の光路長
が設定される。上記積層体は、例えば、ガラス基板に挟
持されるが、算出の前提として、基板表面で生じる入射
光の反射を無視するものとする。

【００１２】光スイッチング素子を構成する光路長可変
層を複数にすると、ピーク波長の半値幅を変えることが
できる。半値幅は、光路長可変層の層数に依存し、層数
が増えるに従いピーク特性が平坦に変化する。従って、
所要数の層を積層させることにより、各種フィルタ特性
が得られる。複数の光路長可変層は、互いに少なくとも
一層の光路長不変層を介して積層される。これは、光学
系の設計を容易にするためであり、かつ積層構造の設計
を容易にするためである。

【００１３】前記光路長可変層としては、ツイスト液晶
がある。該液晶は、層の一側から他側に連続的に液晶分
子を捩れ配向させたものである。捩れ配向させることに
より屈折率異方性を抑制することができる。捩れ角の範
囲は、種々設定可能であるが、高コントラスト比を得る
には、捩れ角が、１８０°の整数倍であることが好まし
い。なお、捩れの向きは、右捩れ若しくは左捩れの何れ
でも良い。

【００１４】また、散乱効果を有する光変調手段を適用
しても屈折率異方性を抑制することができる。該光変調
手段としては、光散乱性液晶複合体若しくは動的散乱型
液晶が挙げられる。光散乱性液晶複合体は、ポリマー中
に粒状液晶を散在させたもの、ポリマー中に粒状液晶を
連結させたもの、若しくは液晶中にポリマー網を形成さ
せたものである。

【００１５】上記手段を有する光スイッチング手段は、
また、光源と、光源の光が照射される原画と、原画の画
像光が露光される感光材料とを有する光学系に配置され
る。光スイッチング素子に印加される電圧を制御する
と、光スイッチング素子の透過率を変えることをができ
るので、露光条件に応じて印加電圧を制御し、所要光量
を有する画像光が前記感光材料に露光されるようにす
る。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１はこの発明の基本となる光スイッチン素子
を示している。図１に示されるように、光スイッチング
素子は、一対のガラス基板１０１、１０３にそれぞれ所
要パターンに配置されたＩＴＯ（Indium Tin Oxcide ）
透明電極１０５、１０７、及び干渉層１０９、１１１
を、該順序で対向させ、干渉層１０９、１１１に、ガラ
ス基板１０１、１０３と平行配向する液晶層１１３を挟
持させたものである。

【００１７】液晶層１１３の配向状態は、干渉層１０
９、１１１の液晶側表面の配向処理、例えば、ラビング
処理、配向膜塗布後にラビング処理、表面処理としてシ
ランカップリング剤処理、若しくはこれらが組み合わさ
れた処理により得られる。液晶層１１３は、均一厚のス
ペーサを所定パターンに配置して得られる間隙に液晶を
注入して形成される。

【００１８】以下、光スイッチング素子を構成する各層
の光路長について説明する。各層の光路長は、注目波長
λに依存し、この実施例では、注目波長を４２７ｎｍと
している。まず、ガラス基板１０１、１０３の屈折率ｎ
ｓ、及び層厚ｄｓは、それぞれ１．５、及び１ｍｍに設
定され、透明電極１０５、１０７の屈折率ｎｃ、及び層
厚ｄｃは、それぞれ１．５、及び３００ｎｍに設定され
る。

【００１９】液晶層１１３は、電圧印加時及び電圧無印
加時のいずれか一方の光路長が、注目波長４２７ｎｍの
ｎ／８倍（ｎは正整数）を満足するときに良好なコント
ラスト比が得られる。液晶層１１３の適正層厚は、干渉
層１０９、１１１の光学条件に依存し、注目波長のｎ／
８倍の条件下で選択される。この実施例では、電界無印
加時の屈折率ｎｈ、電界印加時の屈折率ｎｖが、それぞ
れ１．７２４２及び１．５２１２、層厚ｄｌが、５２６
ｎｍ、誘電率異方性Δεが、１５．８に設定される。該
仕様の液晶として、ＺＬＩ−３９２６（メルク社製）の
ネマチック型液晶を用いることができる。

【００２０】ここで、液晶層１１３の単位分子の屈折率
異方性Δｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）は、０．１以上、さらには
０．２以上が好ましい。つぎに、干渉層１０９、１１１
は、それぞれ酸化チタンで形成された第１の干渉層１０
９ａ、１１１ａ及びフッ化カルシウムで形成された第２
の干渉層１０９ｂ、１１１ｂが交互に５段積層されてい
る。これら各干渉層は、抵抗加熱烝着、電子ビーム烝
着、スパッタ、イオンビームスパッタ等の真空成膜、若
しくはスピンコート法、バーコート法、スプレー法等に
より層厚が制御されて形成される。

【００２１】ガラス基板１０１、１０３、干渉層１０
９、１１１、及び液晶層１１３から成る積層体におい
て、干渉層１０９、１１１の干渉特性を得るための光路
長は、公知の手法により得られる。この実施例に係わる
条件において、干渉層１０９ａ、１１１ａの屈折率ｎ１
は、液晶層１１３の電界無印加時の屈折率ｎｈ（＝１．
７２４２）より大であるｎ１＝２．２〜２．７、また、
干渉層１０９ｂ，１１１ｂの屈折率ｎ２は、液晶層１１
３の電界印加時の屈折率ｎｖ（＝１．５２１２）より小
であるｎ２＝１．２３〜１．２６を取り得る。

【００２２】なお、干渉層１０９ａ、１１１ａは、酸化
チタンの他に、二酸化ハフニウム（屈折率２．０〜２．
１）、五酸化タンタル（屈折率２．１〜２．２）、二酸
化チタン（屈折率２．２〜２．７）、二酸化ジルコニウ
ム（屈折率２．０〜２．１）が挙げられ、また干渉層１
０９ｂ、１１１ｂは、フッ化カルシウムの他に、酸化シ
リコン（屈折率１．４〜２．０）、酸化アルミニウム
（屈折率１．５〜１．７）、フッ化マグネシウム（屈折
率１．３〜１．４）が挙げられる。各材料の屈折率は、
成膜方法、成膜条件、及び注目波長に依存する。

【００２３】干渉効果を得るための酸化チタン、フッ化
カルシウムの干渉層１０９、１１１の屈折率は、上記範
囲に設定可能であるが、以下、この実施例では、ｎ１＝
２．５、ｎ２＝１．２５に設定した場合について説明す
る。また、上記屈折率の設定とともに、注目波長４２７
ｎｍで所望の干渉効果を得るために、干渉層１０９ａ、
１１１ａの層厚ｄ１を、４０ｎｍに設定し、干渉層１０
９ｂ、１１１ｂの層厚ｄ２を、８０ｎｍに設定した。

【００２４】ここで、干渉層１０９、１１１の層厚は、
注目波長４２７ｎｍのｎ／４（ｎは正整数）倍±３０％
以下が好ましく、さらには±１０％以下が好ましい。上
述のように公知の手法に基づいて積層体の光学系を設計
することにより、理想的な透過率特性が得られる。以
下、図２を参照して図１に示した光スイッチング素子の
透過率特性について説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、
ぞれぞれ電界無印加時、及び電界印加時の理想的な透過
率特性を示しており、縦軸及び横軸は、それぞれ透過率
及び波長を示している。

【００２５】図２に示すように、光スイッチング素子の
透過率は、電界の制御により分子配向が変化する液晶層
１１３の光路長に依存し、注目波長４２７ｎｍ近傍にお
いて、電界無印加時及び電界印加時に、それぞれ略５０
％、及び略０％の透過率が得られる。従って、波長４２
７ｎｍ近傍においては、良好なコントラスト比のスイッ
チング特性が得られる。

【００２６】以下、各層の光路長の範囲について説明す
る。図１に示した実施例の条件において、液晶層１１３
の光路長を注目波長λの１／８に設定すると、若干のコ
ントラスト比が得られ、１／４に設定すると、概ね１
０：１のコントラスト比が得られる。さらに、１／２に
設定すると概ね５０：１以上のコントラスト比が得られ
る。従って、若干の余裕を考慮すると、光路長を注目波
長λの１／６以上、さらに１／３以上に設定すると良好
なコントラスト比のスイッチング特性が得られる。

【００２７】一方、光路長を１６λに設定すると、注目
波長４００ｎｍにおける半値幅は、略１１ｎｍ、３２λ
に設定すると、半値幅は略５ｎｍ、６４λに設定する
と、半値幅は、略２ｎｍになり、光路長が長くなるにつ
れて急峻度が高くなる。従って、光路長１６をλ以下に
設定すると、適当急峻度のスイッチング特性が得られ
る。

【００２８】上記のコントラスト比及び急峻度特性よ
り、液晶層１１３のとり得る光路長の範囲は、好ましく
は、注目波長をλとすると、λ／８以上６４λ以下、さ
らに好ましくはλ／６以上３２λ以下、最も好ましくは
λ／３以上１６λ以下に設定される。光スイッチング素
子のコントラスト比は、また、干渉層１０９ａ（１１１
ａ）の屈折率ｎ１と干渉層１０９ｂ（１１１ｂ）の屈折
率ｎ２との屈折率差に依存する。

【００２９】図３（ａ）〜（ｄ）は、上記屈折率差をそ
れぞれ０．１５、０．２３、０．４３、及び０．６３に
設定したときの透過率特性を示しており、縦軸及び横軸
は、それぞれ透過率及び波長を示している。また、実線
及び点線は、それぞれ電界無印加時及び電界印加時の透
過率を示している。図示のように、屈折率差を０．１
５、０．２３、０．４３、及び０．６３に設定した場
合、注目波長におけるコントラスト比は、概ね、１．
４：１、２：１、１０：１、及び５０：１（矢印範囲）
となる。このように屈折率差が大きくなる程、良好なコ
ントラスト比が得られる。従って、略満足なスイッチン
グ効果を得るには、屈折率差を０．２以上１００以下、
好ましくは０．４以上、さらに好ましくは０．６以上に
設定する。

【００３０】なお、図３（ａ）〜（ｄ）の特性を示す素
子の光学条件は以下に示される。すなわち、図３（ａ）
の特性を示す素子を構成する干渉層１０９ａ（１１１
ａ）の屈折率は、１．６１、層厚は、８６ｎｍであり、
干渉層１０９ｂ（１１１ｂ）の屈折率は、１．４６、層
厚は、９５ｎｍである。また、図３（ｂ）の特性を示す
素子を構成する干渉層１０９ａ（１１１ａ）の屈折率
は、１．７、層厚は、８３ｎｍであり、干渉層１０９ｂ
（１１１ｂ）の屈折率は、１．４６、層厚は、９５ｎｍ
である。

【００３１】また、図３（ｃ）の特性を示す素子を構成
する干渉層１０９ａ（１１１ａ）の屈折率は、１．９、
層厚は、７３ｎｍであり、干渉層１０９ｂ（１１１ｂ）
の屈折率は、１．４６、層厚は、９５ｎｍである。ま
た、図３（ｄ）の特性を示す素子を構成する干渉層１０
９ａ（１１１ａ）の屈折率は、２．１、層厚は、６６ｎ
ｍであり、干渉層１０９ｂ（１１１ｂ）の屈折率は、
１．４６、層厚は、９５ｎｍである。

【００３２】また、ガラス基板１０１、１０３の屈折率
は、全て１．５２に設定されており、１．５と１．６の
屈折率を有する光路長可変層のスイッチングにより、上
記各特性が得られる。図１に示した実施例の条件におい
て、液晶層１１３の両側にそれぞれ干渉層１０９ａ、及
び１１１ａから成る、２層の干渉層を形成すると、若干
のコントラスト比が得られ、液晶層１１３の両側にそれ
ぞれ干渉層１０９ａ、１０９ｂ、１０９ａ、及び１１１
ａ、１１１ｂ、１１１ａから成る、６層の干渉層を形成
すると、概ね１０：１のコントラスト比が得られる。さ
らに、図１に示した１０層の干渉層を形成すると、概ね
５０：１以上のコントラスト比が得られる。

【００３３】従って、干渉層の層数を１０層以上に設定
すると、良好なコントラスト比のスイッチング特性が得
られる。ここで、干渉層は、少なくとも液晶層１１３の
いずれか一側に形成されていれば良いが、上記のコント
ラスト特性により、干渉層１０９、１１１のとり得る層
数範囲は、好ましくは、２層以上、さらに好ましくは６
層以上、最も好ましくは１０層以上に設定される。

【００３４】また、光スイッチング素子の透過光の干渉
特性は、各層の順番、層数、及び光路長に依存する。各
層の順番は、一般に隣接層と異なる屈折率の層の組み合
わせとなる。以上説明した光スイッチング素子は、特定
波長において、良好なスイッチング特性を示す。従っ
て、該波長の光のみを抽出するフィルタを用いることに
より、特定波長以外の光の影響を回避することができ
る。

【００３５】以下、図４を参照してフィルタを用いた場
合の効果を説明する。図４（ａ）は、フィルタの透過率
特性を示しており、図４（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ光
スイッチング素子の透過率特性を示し、図４（ｄ）は、
感光材料の分光感度を示し、図４（ｅ）、（ｆ）は、そ
れぞれ図４（ａ）に示すフィルタと図４（ｂ）、（ｃ）
に示す光スイッチング素子とを組み合わせたときの透過
率特性を示している。

【００３６】図４（ｄ）に示す分光特性を有する感光材
料に、例えば、図４（ｂ）、（ｃ）に示す透過率特性を
有する光スイッチング素子の透過光が照射されると、感
光材料には一様な波長を有する光が照射されコントラス
トの欠けた画像が露光されてしまう。一方、図４（ａ）
に示す透過率特性を有するフィルタを組み合わせたとき
の透過光は、図４（ｅ）、（ｆ）に示すように、特定波
長域のみが抽出されている。従って、該波長域の光が図
４（ｄ）に示す特性の感光材料に照射されると、コント
ラストの優れた画像が露光される。

【００３７】上記光スイッチング素子を構成する液晶層
１１３は、ガラス基板１０１、１０３にそれぞれ対向配
置された透明電極１０５、１０７により電界が印加され
る。しかし、例えば、図５に示すように、ガラス基板１
０１、１０３のいずれか一方に所要間隙を有して所要パ
ターンに配置された電極４０５により、液晶層１１３に
電界を印加するようにしても良い。

【００３８】上記構成の光スイッチング素子は、電極４
０５の間隙領域に相当する液晶分子の配列を変え、該間
隙領域を透過する光の透過率特性を制御している。従っ
て、該間隙領域以外が遮光されても良いため、透明電極
を必要としない。透明電極は、紫外線に対する耐久性に
問題を有するものがあるため、透明電極を要しないこと
により、素子の耐久性を高めることができる。また、パ
ターン配置された電極は、面抵抗が小さいため、電圧印
加時に信号波形の鈍化がなくなり、これによりスイッチ
ング素子の高速応答が可能となる。

【００３９】以上説明した実施例では、光路長可変層に
ネマチック型液晶の層を用い、電場の印加により生じる
電気光学効果により光路長を変えて理想的なスイッチン
グ特性を得る場合について説明した。以下、さらに光路
長可変層に他の変調手段を適用した場合について説明す
る。以後、各光スイッチング素子は、干渉層１０９ａ、
１１１ａに層厚８５ｎｍの二酸化シリコン、干渉層１０
９ｂ、１１１ｂに層厚５４ｎｍの二酸化チタンが用いら
れている。

【００４０】図６は、捩れネマチック液晶を用いた光ス
イッチング素子を示している。図６（ａ）に示されるよ
うに、捩れネマチック液晶５０１は、ガラス基板１０
１、１０３、電極１０５、１０７及び干渉層１０９、１
１１の積層体により挟持される。捩れネマチック液晶５
０１は、液晶分子の長軸を、層間で連続的に所定角度α
で捩じれ配列させたものである。

【００４１】以下、捩れネマチック液晶５０１の形成条
件を挙げる。 基板形成： ガラス基板（厚１．１ｍｍ）をアルコール
中で超音波洗浄（約１０分）、純水洗浄、乾燥 電極形成： ＩＴＯをスパッタにより成膜（厚約２００
ｎｍ、面積抵抗約１００Ω／□） 配向層形成： Ｎ−メチル−２ビロリジノン、２−（２
−エトキシ）エタノール、２−ｎ−ブトキシエタノール
が混合比１：２：２で混合された混合溶媒に対し、ＬＱ
１８００（日立化成（株）製）が混合比１：０．２で溶
解された溶液をスピンコートにより塗布（硬化温度２９
５°Ｃ、６０分） ラビング処理： ナイロン起毛布により回転塗布（５０
０ｒｐｍ×３０秒、２５００ｒｐｍ×２５秒、５００ｒ
ｐｍ×１０秒）ラビング方向は、捩れ角に応じて設定 組立： 直径１．０μｍのしんし球（触媒化成（株）
製）を介して接着剤ＳＥ４５００（Ｈａｖｅｎ社製）に
より貼合される（硬化方法：真空パックにより加圧熱硬
化（６０°Ｃ、３０分、１３０°Ｃ、３０分） 液晶注入： ヘリカルピッチが捩れ角に適するようにカ
イラル剤ＣＢ１５（メルク社製）が所要量（カイラル剤
１０％添加に付きヘリカルピッチ１．３μｍを得る）添
加された液晶Ｅ８（メルク社製）を常温注入 光スイッチング素子を構成する捩れネマチック液晶５０
１に電界が印加されていないときは、液晶分子５０３
は、所定角度αで捩じれた配列状態となる。入射される
自然光は、複数方向の偏光を有しており、この状態で入
射された光は、干渉し、透過光のピーク波長が電界印加
時のピーク波長に比べて移動する。ここで、電界無印加
時の自然光に対する捩れネマチック液晶層の屈折率ｎｈ
は、あたかも２つの主屈折率ｎｅ、ｎｏの中間値である
かのように振るまう。

【００４２】一方、図６（ｂ）に示されるように、捩れ
ネマチック液晶５０１に電界が印加されると、液晶分子
５０３は、電界印加方向に配列する。この状態で入射さ
れた自然光は、液晶層の実層厚と屈折率とにより一義的
に定まる光路長に基づき干渉する。ここで、電界印加時
の自然光に対する捩れネマチック液晶層の屈折率ｎｖ
は、あたかも主屈折率ｎｏと等しいかの様に振るまう。

【００４３】このことは、液晶の屈折率異方性が抑制さ
れ、これにより平均的屈折率異方性が略０であることを
意味する。捩れネマチック液晶５０１の電界印加時の屈
折率ｎｖは、主屈折率ｎo で表される。電界無印加時の
屈折率ｎｈ（ｎｖ＜ｎｈ）は、液晶分子５０３の捩れ角
に依存し、これら２つの屈折率ｎｈ、ｎｖ（ｎｖ＜ｎ
ｈ）が、電界印加により変化することによりスイッチン
グ特性を得ることができる。

【００４４】上述のように捩れネマチック液晶５０１の
電界無印加時の屈折率ｎｈは、液晶分子５０３の捩れ角
に依存し、このためスイッチング特性も捩れ角に依存し
たものとなる。以下、図７及び図８を参照して液晶分子
の捩れ角とスイッチング特性との関係を説明する。図７
（ａ）〜（ｄ）は、液晶分子の捩れ角αを、それぞれ０
°、４５°、９０°、及び１８０°に設定したときの透
過率特性を、図８（ａ）〜（ｃ）は、液晶分子の捩れ角
αを、２７０°、３６０°、及び４５０°に設定したと
きの透過率特性を示しており、縦軸及び横軸は、それぞ
れ透過率及び波長を示している。

【００４５】図７及び図８において、実線及び点線は、
それぞれ電界無印加時及び電界印加時の各透過率特性を
示しており、電界印加に伴いピーク波長が低波長側に移
る。ここで着目する点は、液晶分子を捩れ配向させるこ
とにより特定波長において大きいコントラスト比を得る
ことができ、また、捩れ角αを１８０°、３６０°に設
定すると、電界無印加時の波形を保持した状態で透過率
特性が移ることにある。このことから、捩れ角αを１８
０°×ｎ（ｎ：正整数）に設定すると良好なスイッチン
グ特性が得られることが分かる。なお、１８０°×ｎに
設定された捩れ角αの許容範囲は、±３０％以下が好ま
しく、さらには±１０％以下が好ましい。

【００４６】上記透過率特性は、以下の条件で測定され
る。 スペクトルメータ： ＩＭＵＣ７０００（大塚電子
（株）製） 光源： キセノンランプ 電界： 波形発生器ＮＦ１９３０（ＮＦ回路ブロック
（株）製）、アンプＮＦ４００５（ＮＦ回路ブロック
（株）製）により振幅２０Ｖ矩形波１ｋＨｚ印加 なお、ネマチック液晶は、ハイブリッド分子配列された
液晶を捩れ配向させるようにしても良い。

【００４７】図９は、ポリマー分散型液晶を用いた光ス
イッチング素子を示している。図９（ａ）に示されるよ
うに、光散乱効果を有するポリマー分散型液晶８０１
は、電極１０５、１０７及び干渉層１０９、１１１の積
層体により挟持される。ポリマー分散型液晶８０１は、
ポリマー８０３に粒状のネマチック液晶８０５を散在さ
せたものである。

【００４８】上記光スイッチング素子は、液晶層を除い
て先の図６に示した捩れネマチック液晶と同一条件で形
成される。ポリマー分散型の液晶層は、混合比２：１で
液晶Ｅ８（メルク社製）と紫外線硬化性樹脂とをセル中
に分散注入後、紫外線照射（１分間）により硬化させた
ものである。光スイッチング素子を構成するポリマー分
散型液晶８０１に電界が印加されていないときは、ネマ
チック液晶８０５の分子は、それぞれ異なる方向を向い
ている。この状態では、ネマチック液晶８０５とポリマ
ー８０３との屈折率差が大きく、入射された自然光は、
散乱若しくは反射の影響を受け、これにより入射光の透
過率が減少する。一方、散乱の影響を受けなかった光
は、屈折率ｎｈを有するポリマー分散型液晶層の影響を
受ける。

【００４９】また、図９（ｂ）に示されるように、ポリ
マー分散型液晶８０１に電界が印加されると、ネマチッ
ク液晶８０５の分子は、電界印加方向に配列する。この
状態では、ネマチック液晶８０５とポリマー８０３との
屈折率差が小さくなるため、入射された自然光は、ネマ
チック液晶８０５の界面の影響を受けることなく透過す
る。

【００５０】ネマチック液晶に代表される一軸性結晶
は、２つの異なる主屈折率ｎo 、ｎeを有し、ポリマー
分散型液晶８０１の電界無印加時の屈折率ｎｈは、（２
ｎo ＋ｎe ）／３で表され、電界印加時の屈折率ｎｖ
は、ｎo で表される。電界印加により、これら２つの屈
折率ｎｈ、ｎｖ（ｎｖ＜ｎｈ）が変化すると、入射光
は、素子の干渉効果による影響と液晶層の散乱効果によ
る影響とを受ける。これにより入射光の透過率が変化す
るてめ、スイッチング特性が得られる。

【００５１】ポリマー分散型液晶８０１の層は、硬化型
のポリマーであれば、スピンコート等の均一膜形成手段
により薄膜を形成することができる。従って、ギャップ
に液晶を注入する場合に比して容易に層を形成すること
ができる。ポリマーの硬化形態は種々あり、例えば、塗
布したポリマーに紫外線を照射して硬化させる紫外線硬
化型、塗布したポリマーを熱、若しくは風等の溶媒乾燥
手段により乾燥させて硬化させる溶媒乾燥型、高温状態
で塗布したポリマーを冷却させて硬化させる熱軟化型、
又は塗布したポリマーに熱を印加して硬化させる熱硬化
型でれば均一層厚の薄膜が容易に形成できる。

【００５２】図１０は、ポリマー分散型液晶を用いた光
スイッチング素子の透過率特性を示している。図１０に
おいて、縦軸及び横軸は、それぞれ透過率及び波長を示
しており、実線及び点線は、それぞれ電界無印加時及び
電界印加時の各透過率特性を示している。上記特性を有
する光スイッチング素子では、波長５７０ｎｍ近傍にお
いて良好なスイッチング特性が得られる。なお、この波
長は、層厚等の光学条件に依存することは勿論である。

【００５３】また、光散乱効果を有する変調手段とし
て、強誘電性液晶とポリマーとを複合させてポリマー中
に強誘電性液晶を分散させ、液晶分子をランダム配向さ
せた液晶複合体若しくは動的散乱型液晶を用いても良
い。なお、光路長可変層は、上記液晶の他にも、ポリフ
ッ化ビニデンのポリマー若しくはコポリマー、ＰＺＴ、
ＰＬＺＴ、ＢＴＯ、ＳＴＯ、若しくＢＳＴＯ等の強誘電
性無機材料、又は電界誘起強誘電性材料が挙げら、これ
らの材料は電気光学効果を有する。電界誘起強誘電性材
料は、電界印加により、反強誘電等の強誘電以外の相か
ら強誘電相へ転移する物質であり、光路長変化が大きい
という特徴がある。

【００５４】また、光路長可変層は、電場の他にも、磁
場若しくは音場の印加により光路長が変化する層であっ
ても良い。さらに、液晶相、液体相、若しくは気体相で
形成される光路長可変層は、一対の基板で挟持され、固
体相で形成される光路長可変層は、片側基板で支持可能
である。以上、単層の光路長可変層を有する光スイッチ
ング素子について述べた。以下、上記光スイッチング素
子に基づいて、この発明に係わる複数の光路長可変層を
有する光スイッチング素子について述べる。なお、複数
の光路長可変層は、少なくとも一層の光路長不変層を介
して積層されている。

【００５５】以下、図１１を参照して複数の光路長可変
層を有する光スイッチング素子について説明する。図１
１（ａ）は、単層の光路長可変層を有する光スイッチン
グ素子の構成と、その透過光特性を示しており、図１１
（ｂ）は、複数の光路長可変層を有する光スイッチング
素子の構成と、その透過光特性を示している。また、各
特性図において、縦軸及び横軸は、それぞれ透過率Ｔｒ
及び波長λを示しており、実線及び点線は、それぞれ電
界無印加時及び電界印加時の透過率特性を示している。

【００５６】図１１（ａ）に示される光スイッチング素
子は、ガラス基板１５１、１５３、透明電極１５５、１
５７、干渉層１５９ａ、１５９ｂ、干渉層１６１ａ、１
６１ｂから成る積層体であり、干渉層１５９ａ、１６１
ａに光路長可変層として液晶層１６３を挟持させたもの
である。ここで、干渉層１５９ａ、１６１ａには二酸化
チタンが、また干渉層１５９ｂ、１６１ｂには二酸化シ
リコンが、また液晶層１６３には高分子分散型液晶が用
いられている。

【００５７】また、図１１（ｂ）に示される光スイッチ
ング素子は、ガラス基板１５１、１５３、透明電極１５
５、１５７、干渉層１５９ａ、１５９ｂ、干渉層１６１
ａ、１６１ｂ、干渉層１６５ａ、１６５ｂから成る積層
体であり、干渉層１５９ａ、１６５ａに光路長可変層と
して液晶層１６３を挟持させるとともに、干渉層１６５
ａ、１６１ａに液晶層１６３を挟持させたものである。
ここで、干渉層１６５ａには二酸化チタンが、また干渉
層１６５ｂには二酸化シリコンが用いられている。

【００５８】液晶層１６３の電界無印加時の屈折率ｎ
ｈ、及び電界印加時の屈折率ｎｖは、それぞれｎｈ＝
１．６、ｎｖ＝１．５に設定され、液晶層１６３の層厚
ｄ１は、ｄ１＝８００ｎｍに設定されている。また、干
渉層１５９ａ、１６１ａの屈折率ｎ２、及び層厚ｄ２
は、それぞれｎ２＝２．４２（＞ｎｈ）、ｄ２＝５８ｎ
ｍに設定され、干渉層１５９ｂ、１６１ｂの屈折率ｎ
３、及び層厚ｄ３は、それぞれｎ３＝１．４６（＜ｎ
ｖ）、ｄ３＝９５ｎｍに設定されている。

【００５９】なお、図１１（ｂ）に示されるように、光
路長可変層を複数積層させた場合、光路長可変層の間に
積層される各光路長不変層の光路長は、注目波長λのｎ
／４（ｎは正整数）倍±３０％以下の範囲に設定され、
好ましくは±１０％以下の範囲に設定される。また、光
路長可変層を複数積層させた場合、光路長不変層である
干渉層１５９、１６１を単層で構成しても所要の光学特
性を得ることができる。

【００６０】上記構成の各光スイッチング素子の電界無
印加時の透過光特性は、実線で示され、電界印加時の透
過光特性は点線で示されており、電界印加に伴い、波形
が低波長側に移動する。ここで、各スイッチング素子の
特性を比較すると、液晶層１６３が複層積層された素子
の特性波形は、液晶層１６３が単層積層された素子の特
性波形に比べて、そのピーク波長の半値幅が広いことが
分かる。この傾向は、積層する液晶層の層数が増えるに
つれて顕著になる。従って、波長域に応じて各層の光路
長ととももに、光路長可変層の層数を設計することによ
り、帯域通過フィルタ等の各種フィルタ特性が得られ
る。

【００６１】以下、図１２を参照して、光スイッチング
素子をＮＤ（Neutral Density ）フィルタに適用した場
合を説明する。図１２は、素子の層構成と透過光特性を
示している。特性図において、縦軸及び横軸は、それぞ
れ透過率Ｔｒ及び波長を示している。図１２に示される
層構成は、透明電極２５５、２５７を支持した一対のガ
ラス基板２５１、２５３に、二酸化チタンから成る３層
の干渉層２５９と、光路長可変層である２層の液晶層２
６５、２６７（高分子分散型液晶）とが交互に積層され
たものである。

【００６２】液晶層２６５、２６７の電界無印加時の屈
折率ｎｈ、及び電界印加時の屈折率ｎｖは、それぞれｎ
ｈ＝１．６、ｎｖ＝１．５に設定され、液晶層２６５の
層厚は、３７５ｎｍに設定され、液晶層２６７の層厚
は、２１０ｎｍに設定されている。また、干渉層２５
９、２６１、２６３の各屈折率は、それぞれ２．４２に
設定され、干渉層２５９、２６１、２６３の各層厚は、
それぞれ１１０ｎｍ、２１ｎｍ、２７ｎｍに設定されて
いる。

【００６３】なお、各光路長可変層の間に積層される光
路長不変層の光路長は、注目波長λのｎ／４（ｎは正整
数）倍±３０％以下の範囲に設定され、好ましくは±１
０％以下の範囲に設定される。図１２に示される特性図
は、電界印加時の透過光特性を示しており、可視帯域で
ある５００ｎｍ〜６００ｎｍ近傍において平坦な透過光
特性が得られる。

【００６４】上記光スイッチング素子への電界印加を断
つと、液晶層２６５、２６７の屈折率が大きくなるた
め、透過光の干渉スペクトルが変化する。また、液晶層
２６５、２６７が散乱状態に変化するため、入射光が散
乱される。従って、入射光は、積層体の干渉効果による
影響と、液晶層の散乱効果による影響とを受けるため、
その透過率が小さくなる。なお、印加される電界レベル
を可変することにより、可視帯域で所要透過率が得られ
る。

【００６５】以下、図１３を参照して、上記ＮＤフィル
タの特性を有する光スイッチング素子を露光装置に適用
した場合を説明する。光源３５１から出射された光は、
リフレクタ３５３で反射されてＮＤフィルタ３５５に入
射される。ＮＤフィルタ３５５は、後述する駆動部３７
５の駆動により変調制御され、所要光量を出射する。Ｎ
Ｄフィルタ３５５から出射された光は、シャッタ３５７
及び拡散箱３５９を直列に介しネガフィルム３６１に入
射する。ネガフィルム３６１で得られる画像光は、レン
ズ３６３で集光されたのち、印画紙３６５に照射され
る。

【００６６】一方、画像光は、ハーフミラー３６７で分
岐されてイメージエリアセンサ３６９に入射されて測光
される。イメージエリアセンサ３６９で得れる測光信号
は、露光量演算部３７１に入力されて露光量が演算され
る。演算結果は、制御部３７３に入力される。制御部３
７３は、演算結果に基づき、所要露光量を得るための電
圧信号を得、該電圧信号を駆動部３７５に入力する。駆
動部３７５は、電圧信号に基づきＮＤフィルタ３５５に
所要電圧を供給する。

【００６７】上述のようにＮＤフィルタ３５５は帰還制
御され、これにより印画紙３６５には、適当光量が照射
される。なお、Ｂ、Ｇ、Ｒの各波長を独立にフィルタ制
御可能なようにＮＤフィルタ３５５の各層の光路長を設
計することにより、露光時の色補正も可能になる。ま
た、上記ＮＤフィルタをカメラの絞りに適用することが
できる。すなわち、図１４に示されるように、ＮＤフィ
ルタ４０１が、レンズ４０３の前段若しくは後段に配置
され、これによりカメラ４０５の光学系が構成される。
ＮＤフィルタ４０１の作用は、光量が多い場合は、その
透過率を小さくし、光量が少ない場合は、その透過率を
大きくして所要光量を得るようにするものである。この
ような透過率の制御は、印加される電界を可変すること
により得られる。

【００６８】例えば、周囲の光量の感知手段として、光
電変換手段である太陽電池を利用し、光量に応じた電圧
が、ＮＤフィルタ４０１に印加されるようにする。な
お、この場合に適用される光路長可変層は、電界無印加
時に透過率が小さく、電界印加時に透過率が大きくなる
ようにする。以上説明した光スイッチング素子は、各層
を順次積層することにより形成可能であるが、特に、各
層が有機物から成る場合は、同時多層塗布により形成可
能である。また、光路長可変層が、固体相である場合
は、基板による支持を要しないため、容易に製造可能で
ある。固体相の光路長可変層としては、ポリマー分散型
液晶、強誘電体無機材料、強誘電体ポリマー、若しくは
電界誘起強誘電体材料等が挙げられる。

【００６９】以下、光スイッチング素子の駆動方式につ
いて説明する。駆動方式は、公知の光アドレス駆動方
式、薄膜トランジスタ駆動方式、若しくは単純マトリク
ス駆動方式を適用することができる。光アドレス駆動方
式は、空間光変調素子の層構造を利用する。すなわち、
図１５に示されるように、光導電層１９１、干渉層１０
９、液晶層１１３、及び干渉層１１１を、透明電極１０
５、１０７備えた一対のガラス基板１０１、１０３で挟
持したものである。

【００７０】ガラス基板１０１側から入射された書き込
み光が光導電層１９１に照射されると、照射部分の光導
電層１９１のインピーダンスが低下する。すると、イン
ピーダンス低下部分に相当する液晶層１１３に電界が印
加され、液晶分子が、電界印加方向に配列する。液晶分
子の配列に依り、液晶層１１３には、反射率の異なるパ
ターン領域が形成される。一方、ガラス基板１０３側か
ら入射された読み出し光は、上述のようにして形成され
た液晶層１１３のパターン領域で反射されて導出され
る。読み出し光の反射導出を制御することによりスイッ
チング効果が得られる。

【００７１】薄膜トランジスタ駆動方式は、マトリクス
配列された薄膜トランジスタを線順次走査し、これによ
り各素子のスイッチング効果が得られる。単純マトリク
ス方式は、複数の行電極を時分割走査し、これより各素
子のスイッチング効果が得られる。また、誘電異方性が
周波数に依存する液晶を、二周波駆動することにより、
高速スイッチング特性が得られる。

【００７２】

【発明の効果】以上説明した発明によれば、光路長可変
層の屈折率異方性を抑制したことにより、偏光方向に依
存せずに光を変調することができる。また、積層された
干渉層の干渉効果により、特に、特定波長に注目した場
合は、高いコントラスト比で入射光を制御できる。従っ
て、入射光を効率良く利用して良好なスイチング特性を
得ることができる。また、偏光方向に依存しないため、
偏光板を必要としない。従って、偏光板を備えたことに
よる素子の耐久性の悪化を回避することができる。

【００７３】光スイッング素子の光学特性は、素子を構
成する光路長可変層を複数積層させることにより、ピー
ク波長の半値幅を制御できる。これにより、所要数の光
路長可変層を積層させることにより良好なスイッチング
特性を有して各種フィルタ特性を得ることができる。こ
こで、注目波長において所望の干渉効果を得るための構
造は、光路長可変層の光路長とエンハンス効果を有する
光路長不変層の光路長とを考慮することにより容易に設
計される。

【００７４】さらに、光路長可変層が複数積層された光
スイッチング素子を、露光光学系に配置して、電圧印加
により波長帯域が変わる波長可変フィルタとして利用す
ることにより、露光条件に応じて所要光量が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の概念を示す構成図。

【図２】図１に示した光スイッチング素子の透過率を示
す特性図。

【図３】図１に示した光スイッチン素子の透過率を示す
特性図。

【図４】フィルタを組み合わせたときの効果を説明する
ための特性図。

【図５】電極の他の実施例を示す構成図。

【図６】捩れネマチック液晶を用いた光スイッチング素
子を示す図。

【図７】図６に示した光スイッチング素子の透過率を示
す特性図。

【図８】図６に示した光スイッチング素子の透過率を示
す特性図。

【図９】ポリマー分散型液晶を用いた光スイッチング素
子を示す図。

【図１０】図９に示した光スイッチング素子の透過率を
示す特性図。

【図１１】光路長可変層の層数の異なる光スイッチング
素子を示す図。

【図１２】フィルタ特性を有する光スイッチング素子を
示す図。

【図１３】光スイッチング素子を有する露光装置を示す
図。

【図１４】光スイッチング素子を有するカメラを示す
図。

【図１５】光スイッチング素子の駆動方式を説明するた
めの図。

【符号の説明】

１０１、１０３、１５１、１５３、２５１、２５３ ガ
ラス基板 １０５、１０７、１５５、１５７、２５５、２５７ 透
明電極 １０９、１１１、１５９、１６１、１６５、２５９、２
６１、２６３ 干渉層 １１３、１６３、２６５、２６７、５０１、８０１ 液
晶層 ３５１ 光源 ３５３ リフレクタ ３５５ ＮＤフィルタ ３５７ シャッタ ３５９ 拡散箱 ３６１ ネガフィルム ３６３ レンズ ３６５ 印画紙 ３６７ ハーフミラー ３６９ イメージエリアセンサ ３７１ 露光量演算部 ３７３ 制御部 ３７５ 駆動部 ４０１ ＮＤフィルタ ４０５ 電極 ８０３ ポリマー ８０５ ネマチック液晶

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外場の印加により光路長が変化するとと
   もに、少なくとも一層の光路長不変層を介して積層され
   る屈折率異方性が抑制された複数の光路長可変層と、 前記外場を前記光路長可変層に印加する外場印加手段
   と、 前記光路長可変層の少なくとも一側に形成され、前記光
   路長可変層の屈折率とは異なる屈折率の光路長不変層と
   を有する積層体であって、 前記光路長可変層の光路長を可変して前記積層体を透過
   する光の干渉を制御し、所要強度の光を得るようにした
   ことを特徴とする光スイッチング素子。
2. 【請求項２】 前記光路長可変層が、ツイスト液晶であ
   ることを特徴とする請求項１記載の光スイッチング素
   子。
3. 【請求項３】 前記光路長可変層が、散乱効果を有する
   光変調手段であることを特徴とする請求項１記載の光ス
   イッチング素子。
4. 【請求項４】 前記光スイッチング素子が、光源と、該
   光源の光が照射される原画と、該原画の画像光が露光さ
   れる感光材料とを有する光学系に配置され、前記光スイ
   ッチング素子に印加される電圧を制御して、所要光量を
   有する画像光を前記感光材料に露光するようにしたこと
   を特徴とする請求項１記載の光スイッチング素子。