JPH0776813B2 - 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、特に液晶と回折格子とを組み合
わせて液晶の入射光に対する屈折率を変化せしめて所望
の回折作用を入射光に及ぼす素子で、表示素子や光記録
及び光通信等のデバイスに好適な光変調素子に関する。

＜従来技術＞ 従来から液晶と回折格子を組み合わせた光変調素子とし
て、特公昭53−3928号公報やUSP4,251,137等に於る表示
素子や可変色フイルター素子がある。これらで開示され
ている光変調素子は回折現象を利用して装飾効果や色フ
イルター効果を得ているのもであり、基板に形成したレ
リーフパターンを回折格子として機能させている。

一方、USP3,787,110やUSP4,256,787には回折格子同様の
形状を備えた微細な規則正しいレリーフパターンにより
液晶がホモジニアス配向することが示されており、回折
格子に所定の寸法と形状を与えることにより回折機能と
液晶配向機能とを同時に満足させることも従来の技術を
鑑みると可能である。

しかしながら、USP3,787,110やUSP4,256,787等に於る如
きレリーフパターンによる配向規制力は、レリーフパタ
ーンの凹部での側面と底面に囲まれた領域内でしか力を
及ぼさない為、特公昭53−3928号公報やUSP4,251,137等
の素子に応用したとしても、電界に対して液晶分子の傾
き方向が不均一であり信頼性が乏しい。又、この種の素
子を表示素子として用いる場合に、静的状態に於ては表
示むらを生じ、動的状態に於ては応答むらが生じるとい
う欠点もある。即ち、液晶分子のプレテイルトに関する
規制力が存在しない為に、熱運動や電界のエネルギーに
より界面状態に依存して局所的に液晶分子の向きが変わ
るという問題点を有していた。

＜発明の概要＞ 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、回折格子に
よる液晶配向に関する機能を向上させ、前記光学特性及
びその温度依存性をも改善した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、前記一対の基板の間に設けられた、ある
状態で互いに屈折率が異なる透明部材と液晶とを交互に
配して成る回折格子構造と、前記液晶の分子の配向状態
を変える手段とを有し、前記液晶の分子が前記基板の表
面に対して傾き且つ前記基板の表面への射影が前記回折
格子構造の溝方向にほぼ平行となるよう、前記一対の基
板の各々の前記回折格子構造側の表面に配向処理を施す
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。

更に、本発明に於ては、前記回折格子の形状に限定はな
く、後述する実施例で示す矩形状回折格子の他、三角波
状、正弦波状、非対称形状等各種形状の回折格子が適用
される。

＜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、２は使用波長に対して透明な部材から成る回折格子
であり、基板表面に沿って互いに交互に配された液晶１
の各部分と回折格子２の各部分とが回折格子構造を形作
る。３は透明電極、４は透明光学部材から成る透明基
板、５は所定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、屈折率可変物質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
その屈折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。

ここでは、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の溝方向即ち紙面垂直方向に配
向され、ホモジニアス配向の状態を維持している。従っ
て、この静的状態の本光変調素子に入射する入射光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の常屈折率n_o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の異常屈折率n_eを感じる。ここで、回折格子２を成す
物質の屈折率をn_g、入射光５の波長をλ、回折格子２の
厚さをＴとすれば、矩形状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η_ｏは近似的に次の（１）式で表わせる。

但し、Δｎは回折格子２の屈折率n_gと液晶１の屈折率n_e
もしくはn_oとの屈折率差を示しており、入射光５の偏光
成分６に対してはΔｎ＝|n_e−n_g|、偏光成分６′に対し
てはΔｎ＝|_ng−n_o|となる。

従って、（１）式からΔｎ＝０即ち、n_e＝n_g又はn_o＝n_g
の時に零次透過回折光の回折効率η_ｏはη_ｏ＝１とな
り、又、ΔnT＝ の時に回折効率η_ｏ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）が徐々に変化し、
入射光５に於る偏光成分６′は電界印加に無関係に常時
液晶１の常屈折率n_oを感じ、偏光成分６は電界印加量に
従って液晶１の異常屈折率n_eと常屈折率n_oとが所定の比
率で合成された合成屈折率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折率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）を垂直に配向され、ホメオトロピツク
配向状態となる為に入射光５の偏光成分6,6′は共に液
晶の常屈折率n_oを感じ飽和する。

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。

第２図は本発明に係る光変調素子の一実施例を示す概略
斜視図で、第１図に示した基本構成を有する素子を、回
折格子の配列方向が互いに直交する様に重畳させた光変
調素子である。図中、第１図と同部材には同符番が符し
てあり、７はスペーサを成す透明基板で、両面に透明電
極３が形成されている。

第１図を用いて説明した様に、単一の回折格子２を用い
て光変調を行なう場合、例えば液晶１の配向状態を電界
等によりホモジニアス配向からホメオトロピツク配向に
変化させた場合、第１図に於る入射光５の偏光成分６は
変調を受けるが、偏光成分６′は感じる屈折率が変化し
ない為に変調を受けず、入射光５がランダムな偏光特性
を有する時は実質的に50％の光しか変調出来ないことに
なる。しかしながら、第２図に示す如き重畳した構成を
採ることにより、入射光５の夫々の偏光成分6,6′に対
して個々の回折格子２が独立して回折作用を及ぼし、全
ての偏光成分の光を変調可能にするものである。

第１図及び第２図に示す様に、液晶１は回折格子２の溝
方向に配向されているが、従来の方式ではこの液晶１を
配向させている規制力は回折格子２の溝部（凹部）の側
壁による物理的な配向規制力のみであって、実際素子を
駆動する際には熱運動や電界のエネルギーによって、界
面状態などによって液晶分子の向きが変わり、表示素子
として応用する際は表示むらや応答むらが生じ、信頼性
が乏しい。

しかしながら、本発明では、第１図及び第２図に示す如
き素子の回折格子２の底部と対向する基板４（３）、７
に液晶分子の傾き（チルト）方向を規定する配向処理を
施し、各液晶分子の傾き方向を一定に保っている。尚、
この配向処理としては一般に知られているラビング処理
やSiO₂の斜方蒸着等が好適である。

第３図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明に於る液晶分子
の傾きを規定する配向処理の効果を説明する為の模式図
で、第３図（Ａ）は配向処理を施していない場合の界面
での液晶分子の状態、第３図（Ｂ）は配向処理を施した
場合の界面での液晶分子の状態、第３図（Ｃ）は配向処
理して傾きを規定した液晶分子の電界印加時の挙動を示
す。

第３図（Ａ）と（Ｂ）とを比較すれば解る様に、配向処
理が施されていない界面に於ては、液晶分子の傾き方向
がランダムであり、電界等を印加して素子を駆動する際
に前述の如き問題点が生じるだけでなく、静的状態に於
ても界面での液晶分子の乱れの為に入射光が異常偏光を
受け、表示性能が劣化する。一方、配向処理を施した界
面では、主として化学的な配向規制力により液晶分子は
均一な傾き、即ちプレテイルト角θを有して界面で整列
した状態となる。従って、プレテイルトの方向が揃って
いる為、静的状態に於ても異常偏光等を生じることはな
く、当然第３図（Ｃ）に示す様に電界印加時の液晶分子
の挙動は、夫々の分子が一致して配向方向を変化させ
る。従って、従来の如く回折格子だけで配向させている
のに比べ、応答性が良く表示むら等も生じない。

以下、本光変調素子の具体的実施例を簡単な作成法と共
に述べる。

先ず、基板上に表示パターン状にパターニングした透明
電極上に、厚さ1.5μｍ、ピツチ1.5μｍの回折格子を作
成し、この回折格子を形成した基板面に回折格子の溝方
向に沿ってSiO₂の斜め蒸着による配向処理を施した。一
方、この回折格子を有する基板と貼り合わせるべき対向
基板の基板面上に透明電極を形成後、透明電極上にポリ
イミド配向膜を設け、回折格子を有する基板側の液晶分
子のチルト方向と同一方向にラビング処理による配向処
理を施した。そして、以上の方法で作成した２枚の透明
電極を密着させて液晶を封入し、第１図に示す如き光変
調素子を作成した。

本実施例に於る光変調素子では、液晶が所定の方向にプ
レテイルトを持つと共に、回折格子の溝方向に配向され
た所謂ホモジニアス配向をしている。

従って、電界印加のON,OFFにより液晶分子は一様且つ迅
速にその向きを変化させ、高速応答させることが出来
る。又、低温時に於る電界OFF時の液晶分子の再配列時
間が短縮され、本光変調素子の表示色を規定する屈折率
の温度依存性も改善された。また、温度による色変動を
減少した。

更に、対向基板と回折格子上部との間に空隙が存在し、
この空隙に液晶分子が存在していても、液晶分子が乱れ
ることはなく、電界や温度に対する信頼性が得られると
共に表示むらや表示の遅れを小さく出来、表示品位及び
信頼性を向上させることが可能である。

尚、本実施例に於て、回折格子を有する基板に対する配
向処理法としてSiO₂の斜め蒸着法を使用しているが、例
えばイオンビーム，プラズマ等の異方性エツチングを用
いることも出来、更には回折格子を形成する前に透明電
極上に配向膜を形成してラビング処理を行なっても良
い。言うまでもなく対向基板面に対する配向処理も上述
の如何なる方法を用いて行なっても構わない。

以下、上記実施例とは異なる配向規制力を生じせしめる
実施例に関して述べる。

上記実施例に於る回折格子を形成すべき基板とその対向
基板に配向剤としてオクタデシルトリエトキシシランの
0.5wt％エタノール溶液をスピンコートにより塗布し、1
00℃で１時間熱処理を施した後で上記実施例同様の方法
で光変調素子を作成した。この配向処理により液晶分子
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
示す。更に、対向基板側にラビング処理を施しておけ
ば、界面に於る液晶分子の傾きを規定することが出来
る。

静的状態に於て上述の形態を成す光変調素子は、回折格
子を成す物質が光学的に等方性であれば、任意の偏光光
束に対して通常全透過状態（以下、ノーマリーオープン
と記す。）となる。即ち、表示を行なわない場合に電界
もOFFという構成の表示素子を提供出来る。ここで前記
実施例の如く電界ON時に全透過状態となる場合（以下、
ノーマリークローズと記す。）と比較すれば、ノーマリ
ークローズの素子に於て一般的に存在する回折格子部以
外に在る液晶の為に生じる液晶の界面状態やフローアラ
イメントによる組織境界がシワ状，フロー模様として静
的状態で見えるという外観上の問題が生じるのに対し、
ノーマリーオープンの素子では静的状態で全透過状態の
なる為にノーマリークローズの素子で生じる問題も解決
出来る。更に静的状態に於て回折格子と液晶との境界が
目立つということもなくなる。

尚、前述の実施例に於ては、透過型の光変調素子を示し
ているが、例えば一方の基板に光反射膜を施して反射型
の素子とすることも可能である。但し、反射型の場合、
素子内に於る回折光の挙動が複雑となる為、設定や実際
の表示素子等の応用面を考慮すると、本発明では透過型
の光変調素子を構成するのが好ましい。この場合、当然
の事ながら、回折格子，液晶及び基板等は使用波長に対
して透過性を有する部材を用いる。

＜発明の効果＞ 以上、本発明に係る光変調素子は、回折格子による配向
規制力に加え、回折格子構造を挟む一対の基板の各々の
回折格子構造側の表面上に配向処理を施すことで、特に
表示素子として用いる場合の表示コントラストを向上さ
せ、応答むらや表示むら等を防止して高い表示品位と応
答性を得ることが出来る光変調素子である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光変調素子の変調原理図。 第２図は本発明に係る光変調素子の一実施例を示す概略
斜視図。 第３図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明に於る配向処理
の効果を示す説明図。 １……液晶又は液晶分子 ２……回折格子 ３……透明電極 ４……透明基板 ５……入射光 6,6′……互いに直交する偏光成分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の基板と、前記一対の基板の間に設け
   られた、ある状態で互いに屈折率が異なる透明部材と液
   晶とを交互に配して成る回折格子構造と、前記液晶の分
   子の配向状態を変える手段とを有し、前記液晶の分子が
   前記基板の表面に対して傾き且つ前記基板の表面への射
   影が前記回折格子構造の溝方向にほぼ平行となるよう、
   前記一対の基板の各々の前記回折格子構造側の表面に配
   向処理を施すことを特徴とする光変調素子。