JPH0776815B2 - 光変調素子 - Google Patents
光変調素子Info
- Publication number
- JPH0776815B2 JPH0776815B2 JP61080608A JP8060886A JPH0776815B2 JP H0776815 B2 JPH0776815 B2 JP H0776815B2 JP 61080608 A JP61080608 A JP 61080608A JP 8060886 A JP8060886 A JP 8060886A JP H0776815 B2 JPH0776815 B2 JP H0776815B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refractive index
- liquid crystal
- diffraction grating
- incident light
- light
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- Liquid Crystal (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
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合わ
せ、液晶の屈折率を制御することにより入射光に回折、
非回折現象を生じさせる光変調素子に関する。
せ、液晶の屈折率を制御することにより入射光に回折、
非回折現象を生じさせ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
対の偏光板の間に配置され、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
と基板面に垂直な状態との間で切り替えて入射光を変調
する所謂TN(ツイストネマチック)型の液晶表示素子が
ある。
偏光方向が直交する様に配した一対の偏光板と、この一
対の偏光板の間に配置され、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
と基板面に垂直な状態との間で切り替えて入射光を変調
する所謂TN(ツイストネマチック)型の液晶表示素子が
ある。
この液晶表示素子は、構成が簡単で駆動が容易なことか
ら多岐にわた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
過時の透過率が低い。
ら多岐にわた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
過時の透過率が低い。
一方、米国特許第4,251,137号公報において、透過型の
位相型(回折)格子とネマチック液晶とを組み合わせた
可変減色フィルター素子が開示されている。この素子は
色消時の透過率は高い。
位相型(回折)格子とネマチック液晶とを組み合わせた
可変減色フィルター素子が開示されている。この素子は
色消時の透過率は高い。
しかしながら、この素子は、位相型格子の格子溝の方向
に偏光した光を変調する場合、位相型格子の屈折率ngと
液晶の最小屈折率nminとを一致させておき、電界を印加
しない状態で位相型格子の格子溝に沿って基板面に平行
に液晶分子を配向して液晶に最大屈折率nmaxを生じさ
せ、基板面に垂直に電界を印加して液晶分子を電界方向
に配向して液晶に最小屈折率nminを生じさせている為、
液晶分子の回転量が大きく着色状態と色消状態の切り替
えの応答性に問題があった。
に偏光した光を変調する場合、位相型格子の屈折率ngと
液晶の最小屈折率nminとを一致させておき、電界を印加
しない状態で位相型格子の格子溝に沿って基板面に平行
に液晶分子を配向して液晶に最大屈折率nmaxを生じさ
せ、基板面に垂直に電界を印加して液晶分子を電界方向
に配向して液晶に最小屈折率nminを生じさせている為、
液晶分子の回転量が大きく着色状態と色消状態の切り替
えの応答性に問題があった。
<発明の概要> 本発明の目的は、応答性を改善した光変調素子を提供す
ることにある。
ることにある。
この目的を達成する為に、本発明の光変調素子は、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
液晶の屈折率を制御する手段とを有し、前記液晶の最大
屈折率nmaxと最小屈折率nminの間に存する屈折率nθと
前記透明部材の屈折率ngとを大略等しくすることによ
り、従来よりも着色状態と色消状態の切り替え時の液晶
分子の回転量を小さくし、応答性を上げている。
部材と液晶とを交互に配して成る回折格子構造と、前記
液晶の屈折率を制御する手段とを有し、前記液晶の最大
屈折率nmaxと最小屈折率nminの間に存する屈折率nθと
前記透明部材の屈折率ngとを大略等しくすることによ
り、従来よりも着色状態と色消状態の切り替え時の液晶
分子の回転量を小さくし、応答性を上げている。
本発明では、例えば、正及び負のネマチック液晶、強誘
電液晶が用いられる。
電液晶が用いられる。
又、透明部材の配列体であるグレーティングの作成方法
には、フォトリソグラフィーとドライエッチングとを組
み合わせた方法、熱硬化性樹脂或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
法或はエンボス法等がある。
には、フォトリソグラフィーとドライエッチングとを組
み合わせた方法、熱硬化性樹脂或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
法或はエンボス法等がある。
<実施例> 第1図は本発明の光変調素子の基本構成を示す。図中、
1は液晶、2は使用波長に対して透明な物質から成る回
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は任意の偏光特性を有する入射光、6,6′は入
射光5の互いに直交する偏光成分で、6は紙面に垂直な
偏光成分、6′は紙面に平行な偏光成分を示している。
1は液晶、2は使用波長に対して透明な物質から成る回
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は任意の偏光特性を有する入射光、6,6′は入
射光5の互いに直交する偏光成分で、6は紙面に垂直な
偏光成分、6′は紙面に平行な偏光成分を示している。
本光変調素子は、一対の透明基板4の互いに向き合う基
板面上に透明電極3を形成し、一対の透明基板4の一方
の基板面の透明電極3上に透明物質から成る回折格子2
を設け、液晶1を回折格子の溝部(凹部)に充填し、液
晶1に透明電極を介して電界を印加することにより液晶
1の屈折率を変える。
板面上に透明電極3を形成し、一対の透明基板4の一方
の基板面の透明電極3上に透明物質から成る回折格子2
を設け、液晶1を回折格子の溝部(凹部)に充填し、液
晶1に透明電極を介して電界を印加することにより液晶
1の屈折率を変える。
以下に本光変調素子の光変調原理を説明する。
第1図に示す如く、電界が印加されていない静的状態に
おいて、液晶1は、基板4の表面に平行な面内で回折格
子2の溝方向即ち紙面垂直方向に配向され、ホモジニア
ス配向の状態となっている。
おいて、液晶1は、基板4の表面に平行な面内で回折格
子2の溝方向即ち紙面垂直方向に配向され、ホモジニア
ス配向の状態となっている。
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no(nmin)を感
じ、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ne(nmax)を感じる。
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no(nmin)を感
じ、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ne(nmax)を感じる。
回折格子2を成す物質の屈折率をng、入射光5の波長を
λ、回折格子2の厚さをTとすれば、矩形状の回折格子
の場合、入射光5の偏光成分6、6′の各々に対する零
次透過(回折)光の回折効率ηoは、近似的に次の
(1)式で表される。
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′の各々に対する零
次透過(回折)光の回折効率ηoは、近似的に次の
(1)式で表される。
ηo (1/2){1+cos[(2πΔnT)/λ]}・・・(1) 但し、Δnは回折格子2の屈折率ngと液晶1の屈折率
(neやno)の差を示しており、静的状態では、入射光5
の偏光成分6に対しては、Δn=|ne−ng|、入射光5の
偏光成分6′に対しては、Δn=|no−ng|となる。
(neやno)の差を示しており、静的状態では、入射光5
の偏光成分6に対しては、Δn=|ne−ng|、入射光5の
偏光成分6′に対しては、Δn=|no−ng|となる。
従って、(1)式から、Δn=0即ちne=ngやno=ngの
時、零次透過(回折)光の回折効率ηoは1となる。
時、零次透過(回折)光の回折効率ηoは1となる。
尚、 ΔnT=(m+1/2)λ (m=1,2,3,・・・・・) の時に、回折効率ηoは零となる。
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、基板4の表面に平
行な状態から基板4の表面に対して傾き始め、徐々にそ
の傾き角θが大きくなる。この時、入射光5の偏光成分
6′は傾き角θに無関係に液晶1の常屈折率noを感じ、
入射光5の偏光成分6は電界印加量即ち液晶1の傾き角
θに従って液晶1の異常屈折率neと常屈折率noとが液晶
1の傾きに依存した比率で合成されたものに相当する合
成屈折率nθを感じる。
液晶1の配向方向(光学軸方向)が、基板4の表面に平
行な状態から基板4の表面に対して傾き始め、徐々にそ
の傾き角θが大きくなる。この時、入射光5の偏光成分
6′は傾き角θに無関係に液晶1の常屈折率noを感じ、
入射光5の偏光成分6は電界印加量即ち液晶1の傾き角
θに従って液晶1の異常屈折率neと常屈折率noとが液晶
1の傾きに依存した比率で合成されたものに相当する合
成屈折率nθを感じる。
更に電界印加量を強めると、液晶1は基板4の表面に垂
直な状態に近い大きな角度で傾き、最後に基板4の表面
に垂直に配向され、ホメオトロピック配向状態となる
為、入射光5の偏光成分6、6′は共に液晶の常屈折率
noを感じる。尚、この状態においても、入射光5は
(1)式に従い変調される。
直な状態に近い大きな角度で傾き、最後に基板4の表面
に垂直に配向され、ホメオトロピック配向状態となる
為、入射光5の偏光成分6、6′は共に液晶の常屈折率
noを感じる。尚、この状態においても、入射光5は
(1)式に従い変調される。
第2図は、第1図に示す構成を備える光変調素子におい
て、入射光5の全波長領域でno=ngと設定されている時
の、入射光5の偏光成分6に対する(1)式で示される
回折効率ηoの電圧(電界量)依存性を示す図である。
て、入射光5の全波長領域でno=ngと設定されている時
の、入射光5の偏光成分6に対する(1)式で示される
回折効率ηoの電圧(電界量)依存性を示す図である。
第2図において、横軸は屈折率を変える為に電極3に印
加する電圧(V)、縦軸は零次光の回折効率ηoを示
し、γ1、γ2はV−ηo曲線の主たる傾きを表してい
る。第2図から解る通り、V−ηo曲線の傾きは2つの
傾き成分γ1、γ2を有しており、曲線の変化が緩慢で
あって、入射光5の偏光成分6を全透過状態にするのに
時間がかかる。
加する電圧(V)、縦軸は零次光の回折効率ηoを示
し、γ1、γ2はV−ηo曲線の主たる傾きを表してい
る。第2図から解る通り、V−ηo曲線の傾きは2つの
傾き成分γ1、γ2を有しており、曲線の変化が緩慢で
あって、入射光5の偏光成分6を全透過状態にするのに
時間がかかる。
そこで、本光変調素子は、液晶1が基板4の表面に対し
て大きな角度で傾いた、基板4の表面に垂直に配向され
る手前の状態で、液晶1の合成屈折率nθと回折格子2
を成す物質の屈折率ngが入射光5の全波長領域でほぼ等
しくなる様に設定し、V−ηo曲線の傾きを急峻にして
素子の応答性を向上させ、低電圧で駆動できる様にして
いる。
て大きな角度で傾いた、基板4の表面に垂直に配向され
る手前の状態で、液晶1の合成屈折率nθと回折格子2
を成す物質の屈折率ngが入射光5の全波長領域でほぼ等
しくなる様に設定し、V−ηo曲線の傾きを急峻にして
素子の応答性を向上させ、低電圧で駆動できる様にして
いる。
以下、本光変調素子の具体的構成例を述べる。一対のガ
ラス基板を用い、各ガラス基板の一方の面上にITO等の
透明電極を形成し、一方のガラス基板の透明電極上にSE
L−N(ソーマル工業製、屈折率ng=1.57)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張り合
せ、両基板の間にRO−TN403(ロシュ製ネマチック液
晶、ng=1.79,no=1.53)を充填し、第1図に示す光変
調素子を作成した。
ラス基板を用い、各ガラス基板の一方の面上にITO等の
透明電極を形成し、一方のガラス基板の透明電極上にSE
L−N(ソーマル工業製、屈折率ng=1.57)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張り合
せ、両基板の間にRO−TN403(ロシュ製ネマチック液
晶、ng=1.79,no=1.53)を充填し、第1図に示す光変
調素子を作成した。
第3図は、常温での白色光に対するSEL−Nの屈折率及
びのRO−TN403の常屈折率と異常屈折率の各波長分散特
性を示す図であり、横軸が波長、縦軸が屈折率を示して
いる。第3図から解る通り、回折格子2を成す物質の屈
折率ngは分散が小さく、液晶1の常屈折率noも分散が小
さいので、絶対値は異なるものの、回折格子2を成す物
質の屈折率ngの波長成分特性と液晶1の常屈折率noの波
長分散特性の形が入射光の全波長域で一致している。
びのRO−TN403の常屈折率と異常屈折率の各波長分散特
性を示す図であり、横軸が波長、縦軸が屈折率を示して
いる。第3図から解る通り、回折格子2を成す物質の屈
折率ngは分散が小さく、液晶1の常屈折率noも分散が小
さいので、絶対値は異なるものの、回折格子2を成す物
質の屈折率ngの波長成分特性と液晶1の常屈折率noの波
長分散特性の形が入射光の全波長域で一致している。
そこで本実施例では、液晶1が基板4の表面に対して大
きな角度で傾いた、基板4の表面に垂直に配向する手前
の状態で、液晶1の合成屈折率nθと回折格子2を成す
物質の屈折率ngが等しくなる様に設定している。この状
態では、合成屈折率nθの値は、液晶1の異常屈折率ne
よりも常屈折率noの値に大きく依存する為、合成屈折率
nθの波長分散特性は、常屈折率noと同様に分散が小さ
いものとなり、それゆえ回折格子2を成す物質の屈折率
ngの波長分散特性(分散小)とほぼ一致する。
きな角度で傾いた、基板4の表面に垂直に配向する手前
の状態で、液晶1の合成屈折率nθと回折格子2を成す
物質の屈折率ngが等しくなる様に設定している。この状
態では、合成屈折率nθの値は、液晶1の異常屈折率ne
よりも常屈折率noの値に大きく依存する為、合成屈折率
nθの波長分散特性は、常屈折率noと同様に分散が小さ
いものとなり、それゆえ回折格子2を成す物質の屈折率
ngの波長分散特性(分散小)とほぼ一致する。
従って、本実施例によれは、全波長域で、回折格子2を
成す物質の屈折率ngに液晶1の合成屈折率nθをほぼ一
致させることができる。
成す物質の屈折率ngに液晶1の合成屈折率nθをほぼ一
致させることができる。
第4図は、本実施例の光変調素子における、入射光5の
偏光成分6に対する(1)式で示される回折効率ηoの
電圧依存性を示す図である。第4図から解る通り、本実
施例におけるV−ηo曲線は急峻な立ち上がりを示し、
傾き成分も主としてγ1のみからなっており、第2図の
V−ηo曲線を備える光変調素子に比べて、応答性に優
れており、低電圧で駆動できる。
偏光成分6に対する(1)式で示される回折効率ηoの
電圧依存性を示す図である。第4図から解る通り、本実
施例におけるV−ηo曲線は急峻な立ち上がりを示し、
傾き成分も主としてγ1のみからなっており、第2図の
V−ηo曲線を備える光変調素子に比べて、応答性に優
れており、低電圧で駆動できる。
本実施例においては、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とする
こともできる。
が、例えば一方の基板に光反射膜を施して反射型とする
こともできる。
第5図乃至第7図は本発明の光変調素子の他の実施例を
示す模式図で、図中、第1図と同じ部材には第1図と同
じ符号を付してある。又、7、7′は液晶1の光学軸の
方向を示しており、7は紙面に垂直な方向、7′は紙面
に平行で且つ方向7に直交する方向を示す。更に、2′
は不図示の回折格子、4′は透明基板を示している。
示す模式図で、図中、第1図と同じ部材には第1図と同
じ符号を付してある。又、7、7′は液晶1の光学軸の
方向を示しており、7は紙面に垂直な方向、7′は紙面
に平行で且つ方向7に直交する方向を示す。更に、2′
は不図示の回折格子、4′は透明基板を示している。
第5図は回折格子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。このような構成にすると、
第1図で示した入射光5の偏光成分6、6′を同時に変
調することができる。
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。このような構成にすると、
第1図で示した入射光5の偏光成分6、6′を同時に変
調することができる。
第6図及び第7図は、第1図に示した光変調素子におい
て回折格子の形状を変えた素子を示し、第6図は三角波
状、第7図は正弦波状の回折格子を具備する光変調素子
を示す。このように本光変調素子の回折格子の形状は矩
形状に限らず様々な形状にすることができる。但し、
(1)式で示したような回折効率の式は回折格子の形状
により異なる。
て回折格子の形状を変えた素子を示し、第6図は三角波
状、第7図は正弦波状の回折格子を具備する光変調素子
を示す。このように本光変調素子の回折格子の形状は矩
形状に限らず様々な形状にすることができる。但し、
(1)式で示したような回折効率の式は回折格子の形状
により異なる。
液晶としては、常屈折率noと異常屈折率neの屈折率の差
が大きいもの、望ましくは屈折率差が0.2以上のものが
良い。
が大きいもの、望ましくは屈折率差が0.2以上のものが
良い。
<発明の効果> 以上、本発明によれば、応答性に優れた光変調素子を提
供できる。
供できる。
第1図は本発明の光変調素子の基本構成を示す図。 第2図は第1図の光変調素子の電圧と回折効率の関係を
示す図。 第3図は本発明の光変調素子の回折格子と液晶の屈折率
の波長分散特性を示す図。 第4図は本発明の光変調素子の電圧と回折効率の関係を
示す図。 第5図〜第7図は本発明の光変調素子の他の実施例を示
す図。 1……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′……入射光の互いに直交する偏光成分 7,7′……液晶の光学軸
示す図。 第3図は本発明の光変調素子の回折格子と液晶の屈折率
の波長分散特性を示す図。 第4図は本発明の光変調素子の電圧と回折効率の関係を
示す図。 第5図〜第7図は本発明の光変調素子の他の実施例を示
す図。 1……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′……入射光の互いに直交する偏光成分 7,7′……液晶の光学軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭48−22047(JP,A) 特開 昭51−7947(JP,A) 米国特許4251137(US,A)
Claims (1)
- 【請求項1】透明部材と液晶とを交互に配して成る回折
格子構造と、前記液晶の屈折率を制御する手段とを有
し、前記液晶の最大屈折率nmaxと最小屈折率nminの間に
存する屈折率nθと前記透明部材の屈折率ngとを大略等
しくしたことを特徴とする光変調素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61080608A JPH0776815B2 (ja) | 1986-04-07 | 1986-04-07 | 光変調素子 |
| US07/033,192 US4822146A (en) | 1986-04-07 | 1987-04-02 | Optical modulation element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61080608A JPH0776815B2 (ja) | 1986-04-07 | 1986-04-07 | 光変調素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62235925A JPS62235925A (ja) | 1987-10-16 |
| JPH0776815B2 true JPH0776815B2 (ja) | 1995-08-16 |
Family
ID=13723041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61080608A Expired - Fee Related JPH0776815B2 (ja) | 1986-04-07 | 1986-04-07 | 光変調素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0776815B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AR064986A1 (es) * | 2007-01-22 | 2009-05-06 | Pixeloptics Inc | Material cristalino liquido colesterico en lente electroactiva |
| JP6047061B2 (ja) * | 2013-04-26 | 2016-12-21 | 日本電信電話株式会社 | 性能可変回折格子 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4251137A (en) | 1977-09-28 | 1981-02-17 | Rca Corporation | Tunable diffractive subtractive filter |
-
1986
- 1986-04-07 JP JP61080608A patent/JPH0776815B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4251137A (en) | 1977-09-28 | 1981-02-17 | Rca Corporation | Tunable diffractive subtractive filter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62235925A (ja) | 1987-10-16 |
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