JPH0915575A - 可変焦点レンズ素子および光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高コントラスト比の光出力および光出力の高
い利用効率を得る。 【構成】 透明電極９，１２を有する一対の基板部材
３，４間に液晶層２が介在され、基板部材４の液晶層２
とは反対側には集光レンズ５が配置される。透明電極
９，１２は電源装置７に接続される。液晶層２に電界を
印加しない状態で、集光レンズ５から入射した光が集光
する集光点近傍であって、集光光の照射領域にほぼ等し
い大きさの遮光層１０が配置される。液晶層２に電界を
印加しないときには、入射光は集光されて遮光層１０に
よって吸収され、暗い（黒）状態となる。電界を印加し
たときには、液晶の屈折率が変化して集光点が移動し、
入射光は遮光層１０以外の部分から出射し、明るい
（白）状態となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号の充分なオン／
オフ比（以下、「コントラスト比」と称する）を有し、
オン状態での光信号の損失が充分に小さく、かつ安価な
光スイッチ、光論理演算素子、および表示装置に用いら
れるライトバルブなどに好適に実施される可変焦点レン
ズ素子および光導波路に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信は、通信速度の高速性およ
び伝達情報量の多さから、情報化社会において重要な役
割を担っている。このような光通信における信号伝達路
としては、光損失の少ない光ファイバが用いられる。光
信号伝達経路の主幹線経路において、信号の変換処理器
には、高速性、高コントラスト比および信号の減衰が少
ないことが要求される。このため、主幹線経路における
信号処理器には、位相を変化させる、伝送モードを変換
する、または導波光の進行方向を変化させるなどの方法
が用いられている。

【０００３】前記光通信に加えて、情報化社会の特徴と
して、個人用携帯情報端末装置の普及もめざましく、こ
のような携帯情報端末装置の表示装置としては、軽量、
薄型、および低消費電力などの特徴を有する液晶表示装
置（以下、「ＬＣＤ」(Liquid Crystal Device)と称す
る）が有力な地位にある。また、ＬＣＤは携帯情報端末
装置のみならず、光論理演算装置の演算素子、直視型も
しくは投写型のライトバルブなどの空間光変調装置とし
ても利用されており、その利用範囲は非常に多岐にわた
る。このように、多様化したＬＣＤの光変調方法として
は、液晶分子の持つ複屈折性を利用したものが主流であ
る。たとえば、 （１）干渉方式 （例）ＥＣＢ(Electrically Controlled Birefringenc
e）モード ＳＳＦ−ＬＣ（Surface Stabilized Ferro-electric Li
quid Crystal）モード （２）旋光方式 （例）ＴＮ（Twisted Nematic）モード （３）光散乱方式 （例）高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）モード ネマティック−コレステリック相転移型（ＰＣＭ）モー
ド （４）光吸収方式 （例）ネマティック−コレステリック相転移型ゲスト−
ホスト方式(ＰＣＧＨ) ２層型ゲスト−ホスト方式（ＤＧＨ） が挙げられる。これらの方式が、現在、携帯情報端末装
置、液晶テレビジョン受像機、投写型液晶表示装置およ
び光演算素子などの空間光変調装置として用いられてい
る方式の主だったものである。

【０００４】さらに、液晶を可変焦点レンズとして使用
した光スイッチが、「光学第２０巻第４号（１９９１，
４），ハイブリッド配向液晶電気光学マイクロレンズに
おける光学特性および分子配向，増田伸、能勢敏明、佐
藤進」、および「JJAP Vol.30 No.12B (1991)，Optical
Properties of a Liquid Crystal Microlens witha Sy
mmetric Electrode Structure，能勢敏明、増田伸、佐
藤進」などに記載されている。これらの文献では、電界
などの印加によって液晶分子の配向状態を変化させ、こ
のときの屈折率分布をレンズ状とすることによって、電
界によってレンズ特性が変化する可変焦点レンズを実現
している。

【０００５】図３６は、上記文献に記載された従来例で
ある可変焦点レンズ（以下、「ＶＦＬ」（Valuable Foc
al Length)と称する）素子１０１の構成を示す断面図で
ある。ＶＦＬ素子１０１は、液晶素子１０５と、電源装
置１０６とを含んで構成され、前記液晶素子１０５は、
液晶層１０２と、前記液晶層１０２を間に介在する一対
の基板部材１０３，１０４とを含んで構成される。前記
一対の基板部材１０３，１０４は、透光性基板１０７，
１０９と、当該透光性基板１０７，１０９の液晶層側表
面に形成される透明電極１０８，１１０とを含んでそれ
ぞれ構成される。

【０００６】透明電極１０８は、所定のパターンに形成
された電極１０８ａ，１０８ｂから成り、透明電極１１
０は、所定のパターンに形成された電極１１０ａ，１１
０ｂから成る。電極１０８ａ，１０８ｂ，１１０ａ，１
１０ｂに、電源装置１０６が接続され、電極１０８ａ，
１０８ｂ間および電極１１０ａ，１１０ｂ間に電界が印
加される。すなわち、電界は基板部材１０３，１０４の
表面に対して略平行方向に印加され、電気力線は符号１
１１で示されるようになる。

【０００７】このようにして構成されるＶＦＬ素子１０
１の動作原理について説明する。図３７は、印加電圧Ｖ
に対応した液晶分子１０２ａの状態を示す図であり、図
３８は、出射光の強度を示す図である。また、図３９
は、ＶＦＬ素子１０１を通過した光の光路を示す図であ
る。

【０００８】図３７（Ａ）に示されるように、電極１０
８ａ，１１０ａ；１０８ｂ，１１０ｂ間の印加電圧Ｖ＝
０のときでは、一方基板部材側の液晶分子１０２ａが基
板部材表面に対して垂直に配向し、他方基板部材側の液
晶分子１０２ａが基板部材表面に対して平行に配向し、
基板部材間での液晶分子１０２ａの配向状態は垂直から
平行に連続的に変化している。なお、液晶分子１０２ａ
をこのように配向させるための配向膜が、前記電極１０
８ａ，１０８ｂ；１１０ａ，１１０ｂを覆ってそれぞれ
形成される。

【０００９】図３７（Ｂ）に示されるように、電極１０
８ａ，１１０ａ；１０８ｂ，１１０ｂ間の印加電圧Ｖ＝
Ｖｌｏｗ（Ｖｌｏｗ：液晶の配向状態が変化し始める閾
値電圧よりも小さい電圧）のときも前記印加電圧Ｖ＝０
とほぼ同様である。このような状態において、ＶＦＬ素
子１０１は凹レンズとして機能する。

【００１０】図３７（Ｃ）に示されるように、電極１０
８ａ，１１０ａ；１０８ｂ，１１０ｂ間の印加電圧Ｖ＝
Ｖｈｉｇｈ（Ｖｈｉｇｈ：前記閾値電圧以上の電圧）の
ときでは、隣接する電極間のほぼ中央の液晶分子１０２
ａは垂直に配向し、電極に近づいてゆくにつれて、垂直
に配向させる液晶配向膜を形成した側の液晶分子１０２
ａは傾斜して配向し、平行に配向させる液晶配向膜を形
成した側の液晶分子１０２ａは垂直に配向する。液晶分
子１０２ａは基板部材間で連続的に配向している。この
ような状態において、ＶＦＬ素子１０１は凸レンズとし
て機能する。

【００１１】図３９（Ａ）は、図３７（Ａ）または図３
７（Ｂ）に対応する光の光路を示しており、基板部材１
０４側から入射し、液晶素子１０５を通過した光の集光
点Ｓは、たとえば基板部材１０３の液晶層１０２とは反
対側の表面から長さＴ１に選ばれる。このとき、ＶＦＬ
素子１０１の出射光の強度は、図３８（Ａ）に示される
ように非常に弱い。

【００１２】図３９（Ｂ）は、図３７（Ｃ）に対応する
光の光路を示しており、基板部材１０４側から入射し、
液晶素子１０５を通過した光の集光点Ｓは、たとえば基
板部材１０３の液晶層１０２とは反対側の表面から長さ
Ｔ２（＞Ｔ１）に選ばれる。このとき、ＶＦＬ素子１０
１の出射光の強度は図３８（Ｃ）に示されるように強く
なる。

【００１３】図４０は、他の従来例である液晶光シャッ
タ１２１の構成を示す断面図である。液晶光シャッタ１
２１は、基板部材１２２，１２３、媒体１２４、液晶層
１２５、偏光板１２６および面光源１２７を含んで構成
される。基板部材１２２，１２３は、透明電極１２８，
１３０がガラス基板１２７，１２９上に設けられて構成
される。基板部材１２２，１２３の間に、ガラス製の断
面のこぎり状の媒体１２４と液晶層１２５とが挟持され
る。媒体１２４の凸部１２４ａが当接する付近および凹
所１２４ｂ付近には、遮光層１３２がそれぞれ設けられ
る。基板部材１２２の媒体１２４および液晶層１２５と
は反対側には、偏光板１２６が、基板部材１２３の媒体
１２４および液晶層１２５とは反対側には、面光源１２
７がそれぞれ配置される。また、透明電極１２８，１３
０には、電源装置１３１が接続される。

【００１４】透明電極１２８，１３０間に電界が印加さ
れていない状態では、液晶分子１２５ａは、基板部材１
２３側で当該基板部材１２３の表面にほぼ平行に、媒体
１２４側で当該媒体１２４の表面にほぼ平行になり、液
晶層１２５が媒体１２４とほぼ同一の屈折率となる。こ
れによって、入射光は透過して出射する。一方、透明電
極１２８，１３０間に電界が印加された状態では、液晶
分子１２５ｂは、基板部材１２３の表面にほぼ垂直とな
り、液晶層１２５は媒体１２４とは異なる屈折率とな
る。これによって、入射光は媒体１２４の表面で反射
し、媒体１２４の凹所１２４ｂに集光され、遮光層１３
２によって吸収されて遮断される。このような液晶光シ
ャッタ１２１の例は、たとえば特開平６−２５８６７２
号公報に開示されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前記ＶＦＬ素子１０１
を光スイッチとして、さらには空間光変調装置として実
用化するためには、前記集光点Ｓを液晶素子１０５内に
設定する必要がある。実際に、透光性基板１０７，１０
９の厚みは、たとえば１．１ｍｍ程度に選ばれ、液晶層
１０２の厚みは、たとえば数μｍ程度に選ばれる。透光
性基板１０７，１０９の厚みに比べて、液晶層１０２の
厚みはほとんど無視でき、屈折率の差が小さい２ｍｍ程
度の長さの間で入射光を集光させることは困難である。
液晶層１０２そのものを電界などのエネルギの印加によ
ってレンズ化するので、屈折率の条件の選択範囲が液晶
の有する屈折率の範囲に限られ、前記長さＴ１，Ｔ２の
選択幅が狭い。たとえば、長さＴ１，Ｔ２は８ｍｍ〜２
０ｍｍの範囲に選ばれる。

【００１６】また、光スイッチまたは空間光変調装置と
して実用化するには、光出射側の基板部材１０３から数
ｍｍ離れた位置に遮光層が必要となるけれども、高い位
置精度で液晶素子１０５の外部に遮光層を設けることは
困難である。

【００１７】さらに、透光性基板１０７，１０９の表面
に対して平行な方向に電界を印加する方式は、同じ透光
性基板上の２本の電極１０８ａ，１０８ｂ；１１０ａ，
１１０ｂが、１単位のたとえば画素を構成する。このよ
うな構成でドットマトリクス状の表示装置を実現するこ
とは比較的困難である。

【００１８】前記液晶光シャッタ１２１は偏光板１２６
を使用しており、光信号の高いコントラスト比が得られ
るけれども、入射光が自然光に近い場合や入射偏光が解
消しやすい場合には、光の利用効率が半分以下となる。
この結果、光論理演算を行う場合では、演算内容が複雑
化するほど光信号の利用効率が減少し、光増幅器などの
手段が必要となる。さらに演算の途中で当然起こりうる
ノイズの影響によって、ＳＮ（Signal-to-Noise）比が
減少する。

【００１９】また、携帯情報端末装置などに使用される
反射型ＬＣＤなどの表示装置においては、近年、高精細
および高輝度が必要とされているけれども、液晶光シャ
ッタ１２１では利用できる光は原理的に光源光の半分
に、実際には光の損失によって半分以下になることか
ら、コントラスト比が低く、暗い表示しか実現すること
ができない。

【００２０】このように、ＶＦＬ素子１０１や液晶光シ
ャッタ１２１を用いた光スイッチでは、位相変化、伝送
モード変換、または導波光の進行方向変化などの方法に
よって、駆動電圧の低減および伝送信号帯域の拡大など
がなされているものの、依然として、厳密な光学的設計
が必要であり、結晶性の高い材料を用いることから、素
子そのものがかなり高価となり、信号伝送路の端末装置
（たとえば家庭用の通信機器および処理装置など）に使
用する信号処理用の光スイッチとしては、価格面から実
用的ではない。

【００２１】また、光スイッチを集積化して表示装置な
どに利用するにあたっては、ＬＳＩ（Large Scale Inte
grated Circuit）技術を応用することなどによって、各
素子の微細化および集積化が可能となっているけれど
も、充分な光学変調を生ずるためには、ある程度の光路
長を必要とし、かつＬＳＩ技術を用いて各素子を基板平
面上に集積する必要がある。このため、基板表面として
２次元的に大きな面積が必要となり、ドットマトリクス
状の表示装置に応用することは困難である。

【００２２】本発明の目的は、高いコントラスト比を有
する光出力が得られ、かつ光信号の利用効率が高い可変
焦点レンズ素子および光導波路を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、外部から与え
られるエネルギによって屈折率が変化する透光性物質か
ら成る可変屈折率層と、前記可変屈折率層を間に介在
し、前記エネルギを可変屈折率層に印加する透光性を有
する一対のエネルギ印加手段と、前記一対のエネルギ印
加手段にエネルギを供給するエネルギ供給手段と、前記
一対のエネルギ印加手段のうちのいずれか一方エネルギ
印加手段の外側に配置される集光レンズとを含むことを
特徴とする可変焦点レンズ素子である。また本発明は、
前記可変屈折率層にエネルギが印加されていないときに
集光レンズを通過した光が集光される集光点近傍に配置
され、集光光の照射領域にほぼ等しい大きさの遮光部材
を含むことを特徴とする。また本発明は、前記可変屈折
率層にエネルギが印加されていないときに集光レンズを
通過した光が集光される集光点近傍に配置され、集光光
の照射領域にほぼ等しい大きさの透孔を有する遮光部材
を含むことを特徴とする。また本発明の前記一対のエネ
ルギ印加手段は、絶縁性を有する透光性基板上に形成さ
れる透明電極をそれぞれ含み、前記集光レンズおよび遮
光部材は、各エネルギ印加手段の透明電極の対向する部
分に対してそれぞれ個別的に設けられることを特徴とす
る。また本発明は、前記可変屈折率層にエネルギが印加
されていないときに集光レンズを通過した光が、集光レ
ンズが設けられた側の一方エネルギ印加手段とは反対の
他方エネルギ印加手段の可変屈折率層側表面に集光する
ことを特徴とする。また本発明は、外部から与えられる
エネルギに依らず屈折率ｎｇが一定である透光性物質か
ら成り、予め定める形状を有する不変屈折率層と、外部
から与えられるエネルギによって屈折率ｎｃが変化し、
エネルギが印加されていないときに光学的に等方性を示
す透光性物質から成る可変屈折率層と、前記不変屈折率
層および前記可変屈折率層を間に介在し、前記エネルギ
を前記可変屈折率層に印加する透光性を有する一対のエ
ネルギ印加手段と、前記一対のエネルギ印加手段にエネ
ルギを供給するエネルギ供給手段とを含むことを特徴と
する光導波路である。また本発明の前記屈折率ｎｇ，ｎ
ｃは、 （屈折率ｎｃの最小値）≦ｎｇ≦（屈折率ｎｃの最大値） …（１） の関係を満たすことを特徴とする。また本発明は、可変
屈折率層にエネルギが印加されていないときに、一方エ
ネルギ印加手段側から入射した光が集光される集光点
が、他方エネルギ印加手段側に直線状に集合して設定さ
れ、前記一対のエネルギ印加手段は、絶縁性を有する平
板状の透光性基板をそれぞれ含み、前記不変屈折率層
は、三角柱状の凹所を有し、当該凹所は、三角柱の２つ
の側面が接する辺を通り、三角柱の伸びる方向に直交す
る方向であって、前記透光性基板の表面に垂直な切断面
における断面形状が二等辺三角形に選ばれ、三角柱の前
記２つの側面が接する辺と、前記集光点が集合した直線
とが一致するようにして配置され、前記可変屈折率層
は、不変屈折率層の凹所に前記透光性物質を配置して形
成され、光が入射する一方エネルギ印加手段側の前記二
等辺三角形の底辺の長さＬ、当該底辺に垂直な二等辺三
角形の高さｄ、前記底辺に対向する頂点の成す角２θ
ｇ、前記一対のエネルギ印加手段間の間隔Ｄ、および前
記屈折率ｎｇ，ｎｃは、 Ｄ≧ｄ …（２） ９０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎｇ／ｎｃ）＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ／２ｄ）＝θｇ …（３） の関係を満たすことを特徴とする。また本発明は、可変
屈折率層にエネルギが印加されていないときに、一方エ
ネルギ印加手段側から入射した光が集光される集光点
が、他方エネルギ印加手段側に設定され、前記一対のエ
ネルギ印加手段は、絶縁性を有する平板状の透光性基板
をそれぞれ含み、前記不変屈折率層は、円錐状の凹所を
有し、当該凹所は、円錐の頂点を通り、前記透光性基板
の表面に垂直な任意の切断面における断面形状が二等辺
三角形に選ばれ、円錐の頂点と、前記集光点とが一致す
るようにして配置され、前記可変屈折率層は、不変屈折
率層の凹所に前記透光性物質を配置して形成され、光が
入射する一方エネルギ印加手段側の前記二等辺三角形の
底辺の長さＬ、当該底辺に垂直な二等辺三角形の高さ
ｄ、前記底辺に対向する頂点の成す角２θｇ、前記一対
のエネルギ印加手段間の間隔Ｄ、および前記屈折率ｎ
ｇ，ｎｃは、 Ｄ≧ｄ …（２） ９０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎｇ／ｎｃ）＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ／２ｄ）＝θｇ …（３） の関係を満たすことを特徴とする。また本発明は、前記
可変屈折率層にエネルギが印加されていないときに、一
方エネルギ印加手段側から入射した光が集光される集光
点近傍に配置され、集光光の照射領域にほぼ等しい大き
さの遮光部材を含むことを特徴とする。また本発明は、
前記可変屈折率層にエネルギが印加されていないとき
に、一方エネルギ印加手段側から入射した光が集光され
る集光点近傍に配置され、集光光の照射領域にほぼ等し
い大きさの透孔を有する遮光部材を含むことを特徴とす
る。また本発明の前記一対のエネルギ印加手段は、前記
透光性基板上に形成される透明電極をそれぞれ含み、前
記不変屈折率層の凹所および遮光部材は、各エネルギ印
加手段の透明電極の対向する部分に対してそれぞれ複数
個設けられることを特徴とする。また本発明の前記一対
のエネルギ印加手段は、前記透光性基板上に形成される
透明電極をそれぞれ含み、前記不変屈折率層の凹所およ
び遮光部材は、各エネルギ印加手段の透明電極の対向す
る部分に対してそれぞれ複数個設けられることを特徴と
する。また本発明は、前記一方エネルギ印加手段の不変
屈折率層および可変屈折率層とは反対側に配置される光
源と、前記他方エネルギ印加手段の不変屈折率層および
可変屈折率層とは反対側に配置される集光レンズとを含
むことを特徴とする。

【００２４】

【作用】本発明に従えば、外部から与えられるエネルギ
によって屈折率が変化する透光性物質から成る可変屈折
率層を間に介在する前記一対のエネルギ印加手段のうち
のいずれか一方エネルギ印加手段の外側に配置される集
光レンズからの入射光は、可変屈折率層の屈折率によっ
て集光されて、あるいは集光されずに当該可変屈折率層
を通過して出射する。可変屈折率層の屈折率は、透光性
を有する前記一対のエネルギ印加手段にエネルギ供給手
段からエネルギを供給／遮断し、可変屈折率層にエネル
ギを印加する／印加しないことによって変化する。集光
されて出射する光は、光の照射面積は狭いけれどもその
強度が強い。一方、集光されずに出射する光は、光の照
射面積は広いけれどもその強度が弱い。集光レンズを設
けることによって、集光レンズを通過した光が集光され
る集光点を、可変屈折率層内に設定することができ、可
変焦点レンズ素子として有効に用いることができる。

【００２５】また好ましくは、前記可変屈折率層にエネ
ルギが印加されていないときに集光レンズを通過した光
が集光される集光点近傍に、集光光の照射領域にほぼ等
しい大きさの遮光部材が配置される。たとえば、可変屈
折率層にエネルギを印加しないときには、入射光が集光
されて前記遮光部材によって吸収される。このため、入
射光が出射しない暗い（黒）状態となる。一方、可変屈
折率層にエネルギを印加したときには、入射光が集光さ
れず、前記遮光部材以外の部分から光が出射する。この
ため、明るい（白）状態となる。したがって、エネルギ
を印加すことによる明るい（白）状態と、エネルギを印
加しないことによる暗い（黒）状態とでスイッチングを
行うことができる。

【００２６】また好ましくは、前記可変屈折率層にエネ
ルギが印加されていないときに集光レンズを通過した光
が集光される集光点近傍に、集光光の照射領域にほぼ等
しい大きさの透孔を有する遮光部材が配置される。可変
屈折率層にエネルギを印加しないときには、入射光が集
光されて前記遮光部材の透孔から出射する。このため、
明るい（白）状態となる。一方、可変屈折率層にエネル
ギを印加したときには、入射光が集光されず、前記透孔
以外の部分で光が吸収される。このため、暗い（黒）状
態となる。したがって、前述したのとは逆に、エネルギ
を印加することによる暗い（黒）状態と、エネルギを印
加しないことによる明るい（白）状態とでスイッチング
を行うことができる。

【００２７】また好ましくは、一対のエネルギ印加手段
は、絶縁性を有する透光性基板上に形成される透明電極
を含んでそれぞれ構成され、各エネルギ印加手段の透明
電極が対向する部分に対して、集光レンズおよび遮光部
材がそれぞれ個別的に設けられる。したがって、各部分
が前述したような作用でスイッチングを行う、ドットマ
トリクス方式の可変焦点レンズ素子で実現される空間光
変調装置、たとえば液晶表示装置を実現することができ
る。

【００２８】また好ましくは、前記可変屈折率層にエネ
ルギが印加されていないときに集光レンズを通過した光
が、集光レンズが設けられた側の一方エネルギ印加手段
とは反対の他方エネルギ印加手段の可変屈折率層側表面
に集光するように、集光レンズの焦点距離および可変屈
折率層の材料などが選ばれる。このため、前記遮光部材
は他方エネルギ印加手段の可変屈折率層側表面に形成さ
れ、遮光部材を他方エネルギ印加手段の可変屈折率層と
は反対側に、他方エネルギ印加手段から離れて設ける場
合と比較して、高い位置精度で設けることができる。

【００２９】また本発明に従えば、外部から与えられる
エネルギに依らず屈折率ｎｇが一定である透光性物質か
ら成り、予め定める形状を有する不変屈折率層と、外部
から与えられるエネルギによって屈折率ｎｃが変化し、
エネルギが印加されていないときに光学的に等方性を示
す透光性物質から成る可変屈折率層とが、エネルギを前
記可変屈折率層に印加する透光性を有する一対のエネル
ギ印加手段の間に配置される。前記一対のエネルギ印加
手段には、エネルギ供給手段からエネルギが供給され
る。また好ましくは、前記屈折率ｎｇ，ｎｃは（屈折率
ｎｃの最小値）≦ｎｇ≦（屈折率ｎｃの最大値）の関係
を満たすように選ばれる。

【００３０】たとえば、前記可変屈折率層にエネルギが
印加されていないときに、可変屈折率層の屈折率ｎｃ
と、不変屈折率層の屈折率ｎｇとは、ｎｃ＞ｎｇとな
り、可変屈折率層を通過した光は不変屈折率層の表面で
反射し、不変屈折率層の所定の形状によって集光されて
出射する。エネルギが印加されたときには、屈折率ｎ
ｃ，ｎｇは、ｎｃ≦ｎｇとなり、入射光は可変屈折率層
から不変屈折率層に入射して当該不変屈折率層を伝搬
し、集光されずに出射する。集光されて出射する光は、
光の照射面積は狭いけれどもその強度が強い。一方、集
光されずに出射する光は、光の照射面積は広いけれども
その強度が弱い。可変屈折率層は、当該可変屈折率層に
エネルギが印加されていないときに光学的に等方性を示
し、たとえば液晶を用いて構成したときには、液晶分子
が不規則（フォーカルコニック組織状態）に配向する。
一方、エネルギを印加したときには、液晶分子がエネル
ギの印加方向に沿って、たとえばエネルギ印加手段の表
面に対して垂直に配向する。このような２状態の切換に
よってスイッチングを行うことによって、光の利用効率
が高く、光信号のコントラスト比が高くなる。

【００３１】また好ましくは、可変屈折率層に電界が印
加されていないときに、一方エネルギ印加手段側から入
射した光が集光される集光点が、他方エネルギ印加手段
側に直線状に集合して設定される。一対のエネルギ印加
手段は、絶縁性を有する平板状の透光性基板をそれぞれ
含む。前記不変屈折率層は三角柱状の凹所を有し、当該
凹所は、三角柱の２つの側面が接する辺を通り、三角柱
の伸びる方向に直交する方向であって、前記透光性基板
の表面に垂直な切断面における断面形状が、二等辺三角
形であり、当該三角柱２つの側面が接する辺と、前記集
光点が集光した直線とが一致するようにして配置され
る。前記可変屈折率層は、不変屈折率層の凹所に前記透
光性物質を配置して形成される。光が入射する一方エネ
ルギ印加手段側の前記二等辺三角形の底辺の長さＬ、当
該底辺に垂直な二等辺三角形の高さｄ、前記底辺に対向
する頂点の成す角２θｇ、前記一対のエネルギ印加手段
間の間隔Ｄ、および前記屈折率ｎｇ，ｎｃは、前記式
（１）〜式（３）の関係を満たす。したがって、ｎｃ＞
ｎｇのときの入射光は、前記不変屈折率層の三角柱状の
凹所に集光される。

【００３２】また好ましくは、前記集光点が他方エネル
ギ印加手段側に設定される。前記不変屈折率層が有する
凹所は円錐状であり、当該凹所は円錐の頂点を通り、前
記透光性基板の表面に垂直な任意の切断面における断面
形状が二等辺三角形であり、当該円錐の頂点と前記集光
点とが一致するようにして配置される。長さＬ、高さ
ｄ、前記頂点の成す角２θｇ、間隔Ｄ、および前記屈折
率ｎｇ，ｎｃは、前記式（１）〜式（３）の関係を満た
す。したがって、ｎｃ＞ｎｇのときの入射光は、前記不
変屈折率層の円錐状の凹所に集光される。

【００３３】また好ましくは、前記集光点近傍、すなわ
ち前記不変屈折率層の凹所付近に、集光光の照射領域に
ほぼ等しい大きさの遮光部材が配置される。エネルギが
印加されなかったときの集光された光は、前記遮光部材
によって吸収されるので、暗い（黒）状態となる。一
方、エネルギを印加したときの集光されなかった光は、
遮光部材以外のところから出射するので、明るい（白）
状態となる。したがって、エネルギを印加することによ
る明るい（白）状態と、エネルギを印加しないことによ
る暗い（黒）状態とでスイッチングを行うことができ
る。

【００３４】また好ましくは、前記集光点近傍、すなわ
ち前記不変屈折率層の凹所付近に、集光光の照射領域に
ほぼ等しい大きさの透孔を有する遮光部材が配置され
る。エネルギが印加されなかったときの集光された光
は、前記遮光部材の透孔によって吸収されずに出射する
ので、明るい（白）状態となる。一方、エネルギを印加
したときの集光されなかった光は、遮光部材によって吸
収されるので、暗い（黒）状態となる。したがって、エ
ネルギを印加することによる暗い（黒）状態と、エネル
ギを印加しないことによる明るい（白）状態とでスイッ
チングを行うことができる。

【００３５】また好ましくは、一対のエネルギ印加手段
は、透光性基板上に形成される透明電極をそれぞれ含
み、各エネルギ印加手段の透明電極が対向する部分に、
不変屈折率層の凹所および遮光部材が、それぞれ複数個
設けられる。したがって、ドットマトリクス方式の光導
波路で実現される空間光変調装置、たとえば液晶表示装
置を実現することができる。

【００３６】また好ましくは、一方エネルギ印加手段の
不変および可変屈折率層とは反対側に配置された光源か
らの光が入射し、不変屈折率層および可変屈折率層を通
過した光が他方エネルギ印加手段の不変および可変屈折
率層とは反対側に配置された集光レンズを通過して、出
射する。したがって、投写型の光導波路で実現される空
間光変調装置、たとえばライトバルブを実現することが
できる。

【００３７】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例であるＶＦＬ
素子１ａの構成を示す断面図である。ＶＦＬ素子１ａ
は、液晶素子６と、エネルギ供給手段である電源装置７
とを含んで構成され、前記液晶素子６は、可変屈折率層
である液晶層２と、前記液晶層２を間に介在するエネル
ギ印加手段である一対の基板部材３，４と、前記一対の
基板部材３，４のうちの光入射側の基板部材４の液晶層
２とは反対側に配置される集光レンズ５とを含んで構成
される。前記一対の基板部材３，４のうちの光出射側の
一方基板部材３は、透光性基板８と、当該透光性基板８
の液晶層側表面に形成される透明電極９とを含んで構成
され、光入射側の他方基板部材４は、透光性基板１１
と、当該透光性基板１１の液晶層側表面に形成される透
明電極１２とを含んで構成される。このようにＶＦＬ素
子１ａは、可変屈折率層材料として液晶を、外部から供
給されるエネルギとして電界をそれぞれ使用するもので
ある。

【００３８】なお、本実施例のＶＦＬ素子１ａは、基板
部材３，４の表面に対して液晶分子の長軸方向がほぼ平
行で、かつ各液晶分子の長軸方向がほぼ同一方向となる
第１の規制状態と、基板部材３，４の表面に対して液晶
分子の長軸方向がほぼ垂直となる第２の規制状態とでス
イッチングを行う。第１の規制状態は、電界を印加しな
いときの後述する液晶配向膜の配向規制力によって得ら
れ、第２の規制状態は、電界を印加することによって得
られる。液晶分子は、常光屈折率と異常光屈折率とが互
いに異なるので、電界の印加によって液晶分子の配向状
態を変えることで、液晶層２の屈折率を変えることがで
き、可変屈折率層として充分に機能する。

【００３９】前記ＶＦＬ素子１ａは、たとえば以下のよ
うにして作成される。まず、透光性基板８，１１の表面
に透明電極９，１２がそれぞれ形成される。透光性基板
８，１１としては、たとえば０．５ｍｍの厚さのガラス
基板（コーニング社製、商品名７０５９）が用いられ
る。透明電極９，１２としては、たとえばＩＴＯ（イン
ジウム錫酸化物）が用いられ、当該ＩＴＯをスパッタリ
ング法によって０．１μｍ〜１．１μｍの厚さに形成
し、フォトリソグラフィ法を用いて所定の形状にパター
ン形成する。

【００４０】次に、前述したような電界を印加しないと
きにおいて、液晶分子の配向（初期配向）を規制するた
めに、図示しない液晶配向膜が形成される。液晶配向膜
は、ポリイミド膜などで実現され、たとえば日産化学社
製、商品名ＲＮ−１０２４を前記透明電極９，１２を覆
って透光性基板８，１１上に塗布し、１８０℃の温度で
焼成した後、ラビング法によって配向処理を施すことに
よって形成される。

【００４１】このようにして作成された一対の基板部材
３，４を、液晶配向膜表面が互いに対向するようにし
て、またラビング方向が平行かつ反対となるようにして
配置され、たとえば５０μｍの厚さのマイラフィルムを
スペーサとし、一対の基板部材３，４のうちのいずれか
一方の基板部材上にスクリーン印刷法などによって塗布
された接着剤を介して貼合わせられる。このとき、一部
分に接着剤を塗布しないことによって液晶注入口が形成
され、真空脱気を行うことによって液晶注入口から液晶
が注入されて液晶層２が形成される。液晶としては、た
とえばネマティック液晶が使用され、本実施例ではＢＤ
Ｈ社製、商品名ＢＬ００７（常光屈折率ｎｅ＝１．５３
０、異常光屈折率ｎｏ＝１．８１６）を用いた。

【００４２】さらに、他方基板部材４の液晶層２とは反
対側表面に集光レンズ５が配置される。集光レンズ５側
から液晶素子６に入射した光が、液晶層２に電界が印加
されないときにおいて、基板部材３の液晶層２側表面上
に集光するように、液晶層２の材料に応じた焦点距離を
有する集光レンズ５が選ばれる。たとえば、集光レンズ
５の焦点距離は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度の範囲に
選ばれる。集光レンズ５は、光の利用効率の面から、Ｖ
ＦＬ素子１ａに入射した光をより多く集光できるだけの
レンズ径を有することが好ましい。

【００４３】図２は、集光レンズ５の形状を示す斜視図
である。集光レンズ５は、図２（Ａ）に示されるよう
な、点状に、光の集光点が形成されるマイクロレンズを
複数個組み合わせたマイクロレンズアレイ５ａで実現し
てもよい。また、図２（Ｂ）に示されるような、線状に
集光点が形成される、いわゆるレンチキュラーレンズで
実現してもよい。

【００４４】また、本実施例のＶＦＬ素子１ａでは、集
光レンズ５の液晶素子６とは反対側には、図示しない偏
光素子が、その透過軸が液晶分子の初期配向方向に応じ
た方向となるようにして配置される。ＶＦＬ素子１ａに
入射する光は、前記偏光素子によって液晶分子の配向方
向（異常光方向）に偏光面を有する光となる。

【００４５】このようにして作成された液晶素子６に
は、前記透明電極９，１２に電源装置７が接続され、電
源電圧が供給される。

【００４６】図３は、可変焦点レンズ素子１ａの動作原
理を説明するための図である。電源装置７と透明電極９
との間のスイッチ１３を、図３（Ａ）に示されるように
遮断した液晶層２に電界が印加されない状態では、集光
レンズ５側から入射した光は、光出射側の基板部材３の
液晶層２側表面上に集光点Ｓとして集光される。

【００４７】一方、図３（Ｂ）に示されるようにスイッ
チ１３を接続した、液晶層２に電界を印加した状態で
は、液晶の屈折率が変化し、集光点Ｓの位置が変化す
る。たとえば図示されるように、前記基板部材３の液晶
層２とは反対側表面から液晶素子６の外方に向かって距
離Ｔ３の位置に設定されて、入射光１４が集光される。
また、前記基板部材３の液晶層２側表面から液晶素子６
の内方に向かって距離Ｔ４の位置に集光点Ｓを設定し
て、入射光１４を集光しても構わない。

【００４８】集光点Ｓの位置を選択することによって、
光の照射面積は狭いけれども、照射強度が強い出射光
と、光の照射面積は広いけれども、照射強度が弱い光と
を得ることができる。

【００４９】図４は、本発明の第２の実施例であるＶＦ
Ｌ素子１の構成を示す断面図である。ＶＦＬ素子１は、
前記ＶＦＬ素子１ａとほぼ同様にして構成され、一方基
板部材３が、透明電極９上に形成される遮光層１０を含
んで構成されることを特徴とする。遮光層１０は、電界
が印加されない状態で、集光レンズ５側から入射した光
が集光される集光点近傍に、集光光の照射領域にほぼ等
しい大きさの所定の面積で配置される。

【００５０】遮光層１０は、たとえばクロム薄膜で実現
され、スパッタリング法などの公知の薄膜形成技術によ
って液晶配向膜の全表面にクロム薄膜が形成され、当該
クロム薄膜をフォトリソグラフィ法などによって所定の
形状にパターン形成して作成される。

【００５１】遮光層１０の面積Ａは、集光レンズ５側か
ら入射した光の液晶層２内における広がり角θ、および
基板部材４の液晶層２側表面から、入射した光が集光さ
れる集光点までの距離Ｌｓを用いて、 Ａ＝２Ｌｓ・ｔａｎ（θ） …（４） で算出される。

【００５２】図５は、前記ＶＦＬ素子１の動作原理を説
明するための図である。電源装置７と透明電極９との間
のスイッチ１３を、図５（Ａ）に示されるように遮断し
た状態、すなわち液晶層２に電界が印加されていない状
態では、集光レンズ５側から入射した光が集光される集
光点Ｓの位置には遮光層１０が配置されているので、入
射光１４は遮光層１０によって吸収される。このため入
射光１４は出射せず、観察者には暗い（黒）状態と認識
される。

【００５３】一方、図５（Ｂ）に示されるようにスイッ
チ１３を接続した状態、すなわち液晶層２に電界を印加
した状態では、液晶の屈折率が変化して、第１の実施例
で説明したように集光点Ｓの位置が変化する。入射光１
４の一部は前述したのと同様に遮光層１０によって吸収
されるけれども、その他の入射光１４は遮光層１０が形
成されていない透光領域から出射する。したがって、観
察者には明るい（白）状態と認識される。

【００５４】本実施例のＶＦＬ素子１は、上述したよう
に電界が印加されていない状態で暗い（黒）状態とな
り、電界を印加した状態で明るい（白）状態となる、い
わゆるノーマリブラック方式のスイッチング素子であ
る。液晶層２によって光路変調された集光点Ｓの軌跡
は、前記集光レンズ５を透過した光の光軸と等しい直線
を描くので、遮光層１０によって遮光される光量を連続
的に変化させることが可能である。

【００５５】図６は、前記ＶＦＬ素子１の電気光学特性
を示すグラフである。横軸は印加電圧を、縦軸は透過率
を示している。実線１５は前記ＶＦＬ素子１の特性を示
しており、たとえば電圧０Ｖをオフ電圧とし、電圧Ｖｓ
ａｔ１をオン電圧としてスイッチングを行うことが可能
である。

【００５６】第２の実施例によれば、光の利用効率に優
れたコントラスト比の高いスイッチング特性が、厳密な
光学的設計や結晶性の高い材料を用いずに実現すること
ができるので、従来技術と比較すると製造コストが安価
になる。また、遮光層１０を設けるだけでスイッチング
が可能であることから、従来技術のように、２次元的に
広い面積が必要ではなく、素子の小型化が可能となる。

【００５７】なお、前記ＶＦＬ素子１は、液晶配向膜の
ラビング処理方向を平行に配置し、液晶の光学的異方性
を利用し、さらに光入射側に偏光素子を用いているの
で、理論上、光の利用効率は最大で５０％である。実際
には、光損失によって５０％以下となる。光の利用効率
を向上するためには、光学的に等方性な液晶を利用し、
比較的低い電圧で液晶の等方性を維持しつつ屈折率が変
化するようにすることが好ましい。たとえば、以下のよ
うにして光の利用効率を向上することができる。

【００５８】前述した液晶配向膜として、ポリアミド系
高分子などの球晶性を示す材料を用い、電界が印加され
ていない状態での液晶の配向をランダム（不規則）にす
ることで、光学的に等方性とする。図６中の実線１６で
表される特性は、液晶配向膜として球晶性を示す材料で
あるナイロン６，６を用いた場合を示している。ここ
で、液晶層２の屈折率は、電界が印加されていない状態
において、液晶分子がランダム配向し、光学的に等方性
となっているので、見かけ上の（２次元的な）屈折率ｎ
ａｖｅは、 ｎａｖｅ＝｛（ｎｅ²＋ｎｏ²）／２｝^0.5 …（５） で表され、光の利用効率は増大する。ただし、屈折率の
変化量は減少する。前記液晶材料ＢＬ００７の平均屈折
率ｎａｖｅは１．６７９である。図６に示されるよう
に、電圧０Ｖをオフ電圧とし、電圧Ｖｓａｔ２をオン電
圧としてスイッチングを行うことが可能である。

【００５９】なお、可変屈折率層として用いる材料は、
前述した液晶に限らず、見かけ上、光学的に等方性を示
し、かつ外部から与えられるエネルギによって屈折率が
変化するような材料であれば構わない。たとえば、Ｌｉ
ＮｂＯ₃ などの光学的に異方性を有する結晶を用いるこ
とができる。

【００６０】また、外部から与えられるエネルギは、電
界に限るものではなく、可変屈折率層材料の屈折率を変
えられるエネルギであればよく、たとえば磁界などを用
いても構わない。

【００６１】また、遮光層１０として用いる材料は、入
射光をほぼ完全に遮光することができる、すなわち吸収
する物質が好ましい。このため遮光層１０は、クロム以
外に、感光性樹脂などを用いて形成してもよく、また入
射光を出射させないことのみを考慮した場合、アルミニ
ウムなどの金属を用いても構わない。

【００６２】さらに、前記液晶層２としては、集光点Ｓ
の位置を変化させることから、光学的距離が長い、すな
わち液晶層２の厚さが厚い方が好ましい。

【００６３】また、遮光層１０は、その面積が小さいほ
ど光の利用効率が向上するけれども、充分なコントラス
ト比を得るためには、その面積は集光レンズ５を透過し
た集光光の照射面積以上であることが必要となる。この
ため、遮光層１０の面積としては、集光レンズ５を透過
した集光光の照射面積程度に選ぶことが好ましく、前記
式（４）によって求められる値に選ぶことが好ましい。

【００６４】さらに、集光レンズ５としては、焦点のス
ポット径が小さいこと、および入射光の波長帯域におい
て色収差などが生じにくいことが要求される。

【００６５】図７は、本発明の第３の実施例であるＶＦ
Ｌ素子２１の構成を示す断面図である。第３の実施例の
ＶＦＬ素子２１は、第２の実施例のＶＦＬ素子１の遮光
層１０に代わって遮光層２２を有することを特徴とす
る。遮光層２２は、前記遮光層１０と同様に、電界が印
加されていないときに、集光レンズ５側から入射した光
が集光される集光点近傍に配置されるとともに、集光光
の照射領域にほぼ等しい大きさの所定の面積の透孔２２
ａを有する。なお、前記実施例と同様の部材には同様の
参照符号を付して示す。

【００６６】前記ＶＦＬ素子２１は、ＶＦＬ素子１と同
様にして形成される。ここで、遮光層２２は、透明電極
９を覆って透光性基板８の表面全面にクロム薄膜を形成
し、当該クロム薄膜の所定の領域をフォトリソグラフィ
法などによってエッチングして透孔２２ａが形成されて
作成される。透孔２２ａの面積Ａは、前記式（４）によ
って求められる。

【００６７】図８は、前記ＶＦＬ素子２１の動作原理を
説明するための図である。図８（Ａ）に示されるように
スイッチ１３を遮断した電界が印加されていない状態で
は、集光レンズ５側から入射した光が集光される集光点
Ｓの位置には透孔２２ａがあるので、入射光１４は透孔
２２ａに入射し、当該透孔２２ａから出射する。したが
って、観察者には明るい（白）状態と認識される。

【００６８】一方、図８（Ｂ）に示されるようにスイッ
チ１３を接続した電界を印加した状態では、集光点Ｓの
位置が、集光レンズ５に近接又は離反する方向に移動す
る。入射光１４は集光点Ｓに集光され、その一部は透孔
２２ａから出射するけれども、他の入射光１４は遮光層
２２によって吸収される。したがって、観察者には暗い
（黒）状態と認識される。

【００６９】このように、本実施例のＶＦＬ素子２１
は、電界が印加されていない状態で、明るい（白）状態
となる、いわゆるノーマリホワイト方式の素子である。

【００７０】図９は、前記ＶＦＬ素子２１の電気光学特
性を示すグラフである。横軸に印加電圧を、縦軸に透過
率をそれぞれ示している。実線２３は、前記ＶＦＬ素子
２１の特性を示している。たとえば電圧０Ｖと電圧Ｖｏ
ｆｆ１とによってスイッチングを行うことが可能であ
る。

【００７１】なお、本実施例のＶＦＬ素子２１も、液晶
配向膜のラビング処理方向を平行に配置し、液晶の光学
的異方性を利用し、また光入射側に偏光素子を用いてい
るので、理論上、光の利用効率は最高で５０％である。
実際には、光損失によって５０％以下となる。ＶＦＬ素
子２１の光の利用効率を向上させるために、第２の実施
例で説明したように、光学的に等方性な液晶を利用し、
比較的低い電圧で液晶の等方性を維持しつつ屈折率が変
化するようにすることが好ましい。

【００７２】第２の実施例で説明したのと同様に、液晶
配向膜として球晶性を示す材料であるナイロン６，６を
用いた場合の電気光学特性を、図９中の実線２４に示
す。電界が印加されていない状態での液晶層２の見かけ
上の屈折率ｎａｖｅは、前記式（５）で求められ、光の
利用効率が増加する。ただし、屈折率の変化量が減少す
る。図９に示されるように、電圧０Ｖと電圧Ｖｏｆｆ２
とによってスイッチングを行うことが可能である。

【００７３】なお、本実施例の液晶層２（可変屈折率
層）、電界（外部から与えられるエネルギ）、集光レン
ズ５および遮光層２２は、第２の実施例で説明した他の
材料で実現することも可能である。

【００７４】また、遮光層２２の透孔２２ａの面積は、
小さいほど光の利用効率が向上するけれども、充分なコ
ントラスト比を得るためには、その面積は集光レンズ５
を透過した集光光の照射面積以上であることが必要とな
る。このため、遮光層２２の透孔２２ａの面積は、集光
レンズ５を透過した集光光の照射面積程度とするのが好
ましい。すなわち、前記式（４）によって求められる値
に選ぶことが好ましい。

【００７５】以上のように、第３の実施例によっても、
光の利用効率に優れたコントラスト比の高いスイッチン
グ特性を、従来技術と比較して安価に実現することがで
きる。また、素子の小型化が可能となる。

【００７６】図１０は、本発明の第４の実施例であるＶ
ＦＬ素子２５の動作原理を説明するための図である。ま
た図１１は、ＶＦＬ素子２５とＶＦＬ素子１とを比較し
て示す図である。本発明のＶＦＬ素子２５は、第２の実
施例のＶＦＬ素子１の液晶層２を凹レンズ化したもので
あり、このように液晶層２を凹レンズとする例は、前述
した文献、すなわち「光学第２０巻第４号（１９９１，
４），ハイブリッド配向液晶電気光学マイクロレンズに
おける光学特性および分子配向，増田伸、能勢敏明、佐
藤進」などに開示されている。ＶＦＬ素子２５は、ＶＦ
Ｌ素子１と同様の構成部材からなるけれども、透明電極
９，１２が所定のパターン状に形成され、遮光層１０
が、透明電極９が形成されていない液晶層２側表面に配
置されていることを特徴とする。前記ＶＦＬ素子１は、
集光レンズ５を設けて入射光の集光点を変化させるもの
である。この場合、図１１（Ａ）に示される領域Ａを通
過する光が遮光される。本実施例のＶＦＬ素子２５は、
集光レンズ５を設けるとともに、液晶層を凹レンズ化す
ることによって、集光した光を発散させる。この場合、
図１１（Ｂ）に示される前記領域Ａよりも狭い領域Ｂを
通過する光が遮光される。このため、光の損失が少な
く、ＶＦＬ素子１と比較して光の利用効率が向上する。

【００７７】図１２は、電極９，１２の形状を示す斜視
図である。以下に、ＶＦＬ素子２５の作成方法について
説明する。なお、前記ＶＦＬ素子１と同じようにして作
成される部分についての説明は省略し、ＶＦＬ素子１と
異なる部分についてのみ説明する。

【００７８】透光性基板８，１１上には、所定の形状の
透明電極９，１２をそれぞれ形成するために、たとえば
ＩＴＯ膜がそれぞれ全面に形成される。このＩＴＯ膜
は、前記ＶＦＬ素子１と同様にして形成される。次に、
ＩＴＯ膜が所定の形状にフォトリソグラフィ法によって
パターン形成される。

【００７９】ここで、ＩＴＯ膜には、少なくとも集光レ
ンズ５を透過した光の光路上に電極が配置されないよう
にホール９ａ，１２ａが形成される。集光レンズ５がマ
イクロレンズで実現される場合、図１２（Ａ）に示され
るように円形のホール９ａ，１２ａが形成される。レン
チキュラーレンズを用いた場合も、光は直線状に集光さ
れるので、光路上には、図１２（Ｂ）に示されるような
スリット状のホールが形成される。

【００８０】次に、液晶配向膜が、透明電極９，１２を
覆って透光性基板８，１１にそれぞれ形成される。ここ
で、一方の液晶配向膜は、液晶分子を基板部材の表面に
対して垂直に配向させるような材料に選ばれ、他方の液
晶配向膜は前記表面に対して平行に配向させるような材
料に選ばれる。垂直に配向させる液晶配向膜として、た
とえば東京応化社製、商品名ＬＳ−２０４を塗布し、平
行に配向させる液晶配向膜として、たとえば球晶性を示
す材料であるナイロン６，６を塗布し、ともに１８０℃
で焼成した。

【００８１】さらに、遮光層１０を形成する。遮光層１
０は、クロム薄膜を、透光性基板８上に形成された液晶
配向膜の全面にＶＦＬ素子１と同様にして形成した後、
前記透明電極９のホール９ａ内にパターン形成される。
遮光層１０の面積Ａは、前記式（４）から求められる。

【００８２】作成された基板部材３，４を、互いの基板
部材３，４の電極の位置を合わせて貼合わせ、液晶層２
を形成した後、集光レンズ５が配置される。

【００８３】図１０（Ａ）に示される液晶層２に電界が
印加されない状態では、集光レンズ５側から入射した光
が集光される集光点Ｓの位置には遮光層１０が配置され
ているので、入射光１４は遮光層１０によって吸収され
る。このため入射光１４は出射せず、観察者には暗い
（黒）状態と認識される。

【００８４】一方、図１０（Ｂ）に示される液晶層２に
電界を印加した状態では、液晶層２が凹レンズとして作
用し、当該液晶層２に入射した光は発散する。入射光１
４の一部は前述したのと同様に遮光部１０によって吸収
されるけれども、その他の入射光１４は遮光部１０が形
成されていない透光領域から出射する。したがって、観
察者には明るい（白）状態と認識される。

【００８５】図１３は、前記ＶＦＬ素子２５の電気光学
特性を示すグラフである。横軸は印加電圧を、縦軸は透
過率をそれぞれ示す。たとえば、電圧０Ｖと電圧Ｖｓａ
ｔとによってスイッチングを行うことが可能である。こ
のように、液晶層２を凹レンズ化することによって、光
の透光率はさらに向上する。

【００８６】なお、本実施例においても、液晶層２、電
界および遮光層１０は、前述の実施例と同様に他の材料
で実現してもかまわない。また、第４の実施例を、第３
の実施例のようなノーマリホワイト方式の素子に適用す
ることも可能である。

【００８７】また、液晶層２の厚さは、透光性基板８，
１１の厚さの約１／１０〜１／１００程度に選ばれる。
たとえば透光性基板８，１１は、１．１ｍｍの厚みに選
ばれる。このため、集光レンズ５を透過した光は、透光
性基板１１を通過した時点で、かなり集光されている。
たとえば、図１０（Ｂ）を参照して、透光性基板１１に
入射する光のスポット径Ｒｇに比べて、透光性基板１１
を出射する光のスポット径Ｒｌｃは著しく小さくなる。
前記スポット径の差Ｒｇ−Ｒｌｃで表される領域（デッ
ドエリア）は、実際のスイッチングには寄与しないの
で、この領域を利用して透明電極９，１２を作成し、液
晶層２を凹レンズ化することが可能である。したがっ
て、従来技術のような開口率が減少するというような不
都合が生じない。このことは、ノーマリブラック方式に
限らず、ノーマリホワイト方式においても言えることで
ある。

【００８８】図１４は、本発明の第５の実施例である空
間光変調（以下、「ＦＬＭ」(FieldLight Modurator）
と称する）装置２６の構成を示す断面図である。ＦＬＭ
装置２６は、第２の実施例のＶＦＬ素子１の透明電極
９，１２を複数の帯状に形成し、かつ互いに直交するよ
うに配置したマトリクス型の装置であり、電極の交差部
分を画素とし、各画素にそれぞれ対応する複数の集光レ
ンズ５を有するマイクロレンズアレイ２７と、各絵素に
それぞれ対応する複数の遮光層１０とを設けたことを特
徴とする。ＦＬＭ装置２６は、前記ＶＦＬ素子１と同様
のノーマリホワイト方式の素子である。

【００８９】複数の集光レンズ５を有するマイクロレン
ズアレイ２７は、たとえば特開平３−２０２３３０号公
報や特開平３−２３３４１７号公報に開示されている方
法によって作成することができる。当該公報によれば、
マイクロレンズアレイ２７は、所定の光学素子上に感光
性樹脂層を形成し、紫外線に対して透明なスタンパを前
記感光性樹脂層に押当て、さらに前記スタンパを介して
紫外線を照射して感光性樹脂層を硬化させることによっ
て形成される。前記スタンパにはマイクロレンズアレイ
２７の原型が形成されている。

【００９０】ＦＬＭ装置２６は、各画素毎に前記ＶＦＬ
素子１と同様の動作原理によって明暗（白黒）によるス
イッチングが行われる。たとえば単純マトリクス駆動方
式による液晶表示装置として用いることができる。

【００９１】また、前記遮光層１０の領域に透孔を有す
る遮光層を設け、第３の実施例のＶＦＬ素子２１と同様
に、ノーマリホワイト方式の素子とすることも可能であ
る。さらに、第４の実施例のＶＦＬ素子２５のように、
液晶層２を凹レンズ化することも可能である。

【００９２】図１５は、前記ＦＬＭ装置２６と同様にし
て構成される３つのＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃを用いた
投写型液晶表示装置３９の構成を示す図である。光源２
８から照射された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の
光は、まず赤色用ダイクロイックミラー２９によって赤
色の光のみが反射され、他の光は透過する。透過した光
は緑色用ダイクロイックミラー３０によって、緑色の光
のみが反射し、青色の光が透過する。２つのダイクロイ
ックミラー２９，３０によって分離された赤、緑および
青の光は、それぞれＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃに入射す
る。赤色の光は反射板３２で反射し、レンズ３６を通過
してＦＬＭ装置２６ａに入射する。緑色の光はレンズ３
７を透過してＦＬＭ装置２６ｂに入射する。青色の光は
レンズ３８を透過してＦＬＭ装置２６ｃに入射する。各
ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃを通過した光は投影レンズ３
５を介して出射される。赤色の光はダイクロイックミラ
ー３３，３４をそのまま通過して出射し、緑色の光はダ
イクロイックミラー３３で反射し、ダイクロイックミラ
ー３４を通過して出射し、青色の光は、反射板３１で反
射し、ダイクロイックミラー３４で反射して出射する。

【００９３】各ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃには、赤、
緑、および青の画像が表示され、上述したようにして各
色の光を合成することによってカラー表示が実現され
る。このように、前記ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃをライ
トバルブとして用い、図示されるような光学システムに
使用することによって、高輝度な投写型液晶表示装置３
９を得ることができる。なお、バックライト上にＦＬＭ
装置２６を配置することによって、直視型の液晶表示装
置としても用いることができる。

【００９４】図１６は、本発明の第６の実施例であるＦ
ＬＭ装置４７の１画素の領域を拡大して示す断面図であ
る。本実施例のＦＬＭ装置４７は、ＴＦＴ素子を用いた
アクティブマトリクス駆動方式の装置である。透光性基
板１１上の透明電極１２は、マトリクス状に互いに間隔
を開けて形成される画素電極となる。また、各画素電極
に対して個別的にＴＦＴ素子が設けられる。また、透光
性基板８上の透明電極９は、当該基板８のほぼ全面に形
成される対向電極となる。

【００９５】第５の実施例のＦＬＭ装置２６は、単純マ
トリクス駆動を採用するため、駆動電圧比Ｖｏｎ／Ｖｏ
ｆｆ（デューティ比）は、 Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆ＝（Ｎ^0.5＋１／Ｎ^0.5−１）^0.5 …（６） で求められる。Ｎはデューティ数（１／Ｎ；デューティ
比）であり、通常、走査線数と同じに選ばれる。単純マ
トリクス駆動方式では、走査線数の増大に伴い、印加電
圧のｏｎ／ｏｆｆ比が減少するために、高精細化が困難
であり、かつ階調表示を行う際に、各階調間の電圧差が
僅差となり、電気的雑音などの影響が深刻な問題とな
る。本実施例のＦＬＭ装置４７は、各画素に対応してス
イッチング素子であるＴＦＴ素子４０を形成することに
よって、上述した問題を解消し、駆動電圧比が前記式
（６）に支配されないようにしている。以下にＴＦＴ素
子４０の作成方法について説明する。

【００９６】図１７は、ＴＦＴ素子４０の製造方法を示
す工程図である。工程Ｓ１では、ゲートバス配線および
ゲート電極４１が形成される。ＴＦＴ素子４０は光入射
側の透光性基板１１上に形成されるので、まず、当該透
光性基板１１上にスパッタリング法によって３００ｎｍ
の厚さのＴａ金属層を形成する。当該Ｔａ金属層を、フ
ォトリソグラフィ法およびエッチング法によってパター
ン形成し、ゲートバス配線およびゲート電極４１を作成
する。

【００９７】工程Ｓ２では、ゲート絶縁膜４２が形成さ
れる。当該ゲート絶縁膜４２は、たとえばプラズマＣＶ
Ｄ(Chemical Vapor Deposition）法によって４００ｎｍ
の厚さのＳｉＮｘを、前記ゲートバス配線およびゲート
電極４１を覆って透光性基板１１上に形成することによ
って作成される。

【００９８】工程Ｓ３では、コンタクト層４４および半
導体層４３が形成される。まず、前記ゲート絶縁膜４２
上に半導体層４３となる１００ｎｍの厚さのａ−Ｓｉ層
と、コンタクト層４４となる４０ｎｍの厚さのｎ⁺型ａ
−Ｓｉ層とをこの順番に連続的に形成する。次に、前記
２つの層を同時にパターン形成することによってコンタ
クト層４４と半導体層４３が形成される。

【００９９】工程Ｓ４では、ソース電極４５、ドレイン
電極４６およびソースバス配線が形成される。まず、コ
ンタクト層４４および半導体層４３が形成された基板上
に２００ｎｍの厚さのＭｏ金属層をスパッタリング法に
よって形成し、当該Ｍｏ金属層をパターン形成すること
によってソース電極４５、ドレイン電極４６およびソー
スバス配線が形成される。このようにしてＴＦＴ素子４
０が完成する。

【０１００】このようなＴＦＴ素子４０を有するＦＬＭ
装置４７においても、各画素は、第１の実施例のＶＦＬ
素子１と同様の動作原理によって、明暗（白黒）による
スイッチングを行う。たとえば、アクティブマトリクス
駆動の液晶表示装置とすることができる。

【０１０１】なお、本実施例のＦＬＭ装置４７は、第２
の実施例のＶＦＬ素子１と同様に、ノーマリブラック方
式の装置であるけれども、第３の実施例のＶＦＬ素子２
１と同様のノーマリホワイト方式の装置とすることも可
能である。また、第４の実施例のＶＦＬ素子２５のよう
に、液晶層２を凹レンズ化することも可能である。さら
に、第５の実施例で説明したように、ＦＬＭ装置４７を
ライトバルブとして用い、図１５に示されるようなの光
学系に使用することによって高輝度な投写型液晶表示装
置を作成することも可能である。

【０１０２】また、本実施例では、スイッチング素子と
してＴＦＴ素子４０を使用する例を説明したけれども、
２端子素子の非線形特性を用いたＭＩＭ（Metal-Insula
tor-Metal）素子およびバリスタなどを用いてもかまわ
ない。

【０１０３】図１８は、本発明の第７の実施例である光
導波路（以下、「ＷＧ」（WaveGuide）と称する）素子
５１の構成を示す断面図である。ＷＧ素子５１は、液晶
素子５６と、電源装置５７とを含んで構成される。液晶
素子５６は、液晶層５２と、不変屈折率層５３と、一対
の基板部材５４，５５とを含んで構成される。光出射側
の一方基板部材５４は、透光性基板５８、透明電極５９
および遮光層６０を含んで構成され、光入射側の他方基
板部材５５は、透光性基板６１および透明電極６２を含
んで構成される。なお、本実施例の不変屈折率層５３
は、一方基板部材５４上に形成される。ＷＧ素子５１
は、可変屈折率層材料として液晶を、外部から与えられ
るエネルギとして電界をそれぞれ使用するものである。

【０１０４】図１９は、ＷＧ素子５１の構成を示す斜視
図である。また図２０は、不変屈折率層５３の形状を示
す図である。図２１は、ＷＧ素子５１の他の構成を示す
斜視図である。また図２２は、不変屈折率層５３の他の
形状を示す図である。

【０１０５】第１の実施例と同様に、透光性基板５８，
６１上に透明電極５９，６２がそれぞれ形成される。透
光性基板５８，６１としては、たとえば１．１ｍｍの厚
さのガラス基板（コーニング社製、商品名７０５９）を
用い、透明電極５９，６２としてはＩＴＯを用いた。透
明電極５９，６２は、透光性基板５８，６１上にＩＴＯ
膜を０．１μｍ〜１．１μｍの厚さにスパッタリング法
によって形成し、フォトリソグラフィ法によって所定の
形状にパターン形成する。次に、透明電極５９が形成さ
れた透光性基板５８上に不変屈折率層５３が形成され
る。

【０１０６】不変屈折率層５３は図１９および図２０に
示されるような三角柱状の凹所５３ａを有し、液晶層５
２に電界が印加されていないときに、基板部材５５側か
ら入射した光が集光される集光点が基板部材５４側に直
線状に集合して設定され、前記三角柱の２つの側面が接
する一辺５３ｂと、前記集光点が集合した直線とが一致
するようにして形成される。

【０１０７】また、不変屈折率層５３は、図２１および
図２２に示されるような円錐状の凹所５３ａを有し、液
晶層５２に電界が印加されていないときに、基板部材５
５側から入射した光が集光される集光点が基板部材５４
側に設定され、前記円錐状の凹所５３ａの頂点５３ｃ
と、前記集光点とが一致するようにして形成される。

【０１０８】不変屈折率層５３の形成には、たとえば次
のようにして作成される金型６８が用いられる。図２３
は、不変屈折率層５３を作成するために用いられる金型
６８の製造方法を示す工程図であり、図２４は当該製造
方法を段階的に示す断面図である。工程Ｔ１では、図２
４（Ａ）に示されるように、ガラスなどの平坦な基板６
３上にフォトレジストが塗布される。塗布されたフォト
レジスト膜６４ａの厚さは、不変屈折率層５３の凹所の
深さｄ以上に選ばれる。

【０１０９】工程Ｔ２では、図２４（Ｂ）に示されるよ
うに、Ａｒ（アルゴン）などのレーザ光６５がフォトレ
ジスト膜６４ａに照射される。レーザ光６５の照射され
る領域は、前述したような図２０および図２２に示され
るような形状の領域である。工程Ｔ３では、現像され、
図２４（Ｃ）に示されるような所定の形状のフォトレジ
スト膜６４が形成される。

【０１１０】工程Ｔ４では、フォトレジスト膜６４上に
Ｎｉ（ニッケル）がスパッタリング法によって１０００
Å〜５０００Å程度の膜厚に、図２４（Ｄ）に示される
ように堆積される。工程Ｔ５では、図２４（Ｅ）に示さ
れるようにＳＴＭ探針６７によってＳＴＭ（Scanning T
unnel Microscope；走査型トンネル顕微鏡）による金型
６８の表面形状の測定が行われる。工程Ｔ６では、前記
Ｎｉ膜６６の膜厚が、電鑄によって図２４（Ｆ）に示さ
れるように厚くされてＮｉ膜６８とされる。工程Ｔ７で
は基板６３およびフォトレジスト膜６４と、前記Ｎｉ膜
６８とが分けられ、図２４（Ｇ）に示されるようなＮｉ
から成る金型６８が作成される。

【０１１１】前記透明電極５９が形成された透光性基板
５８上には、まず透明電極５９を覆って不変屈折率層材
料が塗布される。塗布される材料の膜厚は、不変屈折率
層５３の凹所の深さｄ以上に選ばれる。塗布された不変
屈折率層材料は、前述した金型６８を用いたスタンプ方
式によって所定の形状に加工される。

【０１１２】また、本実施例では可変屈折率層として液
晶層５２を用いており、第１の実施例で説明したのと同
様に、一方基板部材５４の不変屈折率層５３上、および
他方基板部材５５の透明電極６２上に液晶配向膜が形成
される。たとえば、ナイロン６，６を塗布し、１８０℃
で焼成することによって作成される。

【０１１３】またさらに、一方基板部材５４の液晶配向
膜上には遮光層６０が形成される。遮光層６０は、第１
の実施例と同様にして形成され、当該遮光層６０は、前
記集光点近傍、すなわち不変屈折率層５３の凹所付近に
形成される。

【０１１４】このようにして作成された一対の基板部材
５４，５５は、液晶配向膜表面が対向するようにして配
置され、接着剤によって接着される。接着剤中にはたと
えば粒径１０μｍのガラスビーズ、あるいはガラスファ
イバなどのスペーサが混入され、当該接着剤が一対の基
板部材のうちのいずれか一方の基板部材表面にスクリー
ン印刷法などによって塗布される。液晶注入口から液晶
材料を注入することによって、基板部材５４，５５間に
介在される液晶層５２が形成される。液晶材料として
は、たとえば上述した実施例と同様の材料を用いること
ができる。

【０１１５】図２５は、前記ＷＧ素子５１に設定される
条件を説明するための図である。たとえば前記不変屈折
率層５３の三角柱状の凹所５３ａは、当該三角柱の２つ
の側面が接する１辺５３ｂを通り、三角柱の伸びる方向
に直交する方向であって、平板状の透光性基板５８の表
面に垂直な切断面における断面形状が、二等辺三角形に
選ばれる。

【０１１６】また、前記不変屈折率層５３の円錐状の凹
所５３ａは、当該円錐の頂点５３ｃを通り、透孔性基板
５８の表面に垂直な任意の切断面における断面形状が、
二等辺三角形に選ばれる。

【０１１７】光が入射する基板部材５５側の前記二等辺
三角形の底辺の長さをＬとし、当該底辺に垂直な二等辺
三角形の高さ（凹所の深さ）をｄとし、二等辺三角形の
前記底辺に対する頂点の成す角を２θｇとし、隣接する
二等辺三角形のピッチをＰとする。また、基板部材５
４，５５の間隔（液晶層５２の厚み）をＤとする。

【０１１８】入射光７１は、透光性基板６１によって屈
折する。この屈折した光７２が不変屈折率層５３に入射
する方向と、不変屈折率層５３の法線方向７３との成す
角をθとし、入射光７１ａが透光性基板６１で屈折せず
に不変屈折率層５３に入射する方向（破線で示す）と、
前記法線方向７３との成す角をθｃとする。

【０１１９】前記不変屈折率層５３の高さｄと、基板部
材５４，５５の間隔Ｄとは、 Ｄ≧ｄ …（２） となるように選ばれる。角θｇは、 θｇ／２＝θｃ となるように選ばれる。ここで、 ９０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎｇ／ｎｃ）＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ／２ｄ）＝θｇ …（３） の関係が成立するように各数値を決定する。なお、ｎｃ
は液晶層５２を構成する液晶材料の屈折率を表し、ｎｇ
は不変屈折率層５３を構成する材料の屈折率を表す。

【０１２０】図２６は、光ファイバのコアの屈折率と臨
界角との関係を示すグラフである。実線７４〜７９はク
ラッドの屈折率が１．３，１．４，１．５，１．６，
１．７および１．８の場合を示している。本実施例のＷ
Ｇ素子５１においては、前記式（４）および図２６に示
される関係に従って、光ファイバのクラッドに対応する
不変屈折率層５３の屈折率ｎｇを１．５３に、光ファイ
バのコアに対応する可変屈折率層である液晶層５２の最
大屈折率ｎｃｍａｘを１．６７９に、最小屈折率ｎｃｍ
ｉｎを１．５３に、前記不変屈折率層５３の高さｄを１
１μｍに、前記角度２θｇを６６°に、およびピッチＰ
を５０μｍにそれぞれ選んだ。なお、前記式（４）にお
いてＬｓはＬに変更される。

【０１２１】また、液晶層５２の屈折率ｎｃｍａｘ，ｎ
ｃｍｉｎ、および不変屈折率層５３の屈折率ｎｇは、 １．０≦ｎｇ≦２．０ ｎｃｍｉｎ≦ｎｇ≦ｎｃｍａｘ …（１） の関係を満たすように選ばれる。なお、屈折率ｎｇの最
大値および最小値は、現在、使用可能な材料に基づいて
選ばれた値であり、これ以上または以下の屈折率の材料
を用いてもかまわない。

【０１２２】続いて前記ＷＧ素子５１の動作原理につい
て説明する。基本的な動作原理は、光ファイバの原理に
準ずるので、まず、光ファイバの原理について説明す
る。図２７は、光ファイバ８１の原理を説明するための
図である。光ファイバ８１は、通常、中心部分にコア８
３が配置され、その周辺部分にクラッド８２が配置され
る。コア８３はクラッド８２に比べて屈折率の高い物質
で実現される。コア８３の屈折率をｎｃとし、クラッド
８２の屈折率をｎｇとする。

【０１２３】コア８３からクラッド８２へ入射する光８
４は、入射角θｉで入射し、クラッド８２で出射角θｏ
を有した光となる。入射角および出射角の関係は、Ｓｎ
ｅｌｌの法則に従い、 ｎｃ・ｓｉｎ（θｉ）＝ｎｇ・ｓｉｎ（θｏ） …（７） で表される。θｏ＝π／４となる場合（ｎｃ＞ｎｇ）
は、入射光８４はクラッド８２内に入射せず、全反射
し、このときの入射角を臨界角θｃ（θｃ＝ａｒｃｓｉ
ｎ（ｎｇ／ｎｃ））と呼ぶ。光ファイバ８１では、この
臨界角θｃを小さくするように前記コア８３およびクラ
ッド８２の屈折率ｎｃ，ｎｇを設定する。あるいは、入
射角が臨界角以上となるように入力端部側のコアの形状
および屈折率分布を設定する。このように設定された光
ファイバは伝送路としての損失が理論上無く、入射光８
４を有効に伝達することが可能となる。このような状態
は、前記ＷＧ素子５１における集光状態に相当する。

【０１２４】一方、θｃ＝π／４となる場合（ｎｃ＝ｎ
ｇ）、またはθｃ＜０あるいはθｃ＞π／４となる場合
（ｎｃ＜ｎｇ）、コア８３からクラッド８２に入射した
光は、クラッド８２へと拡散し、コア８３を透過する光
は減少する。このような条件における光は、すべてクラ
ッド８２方向への出射光となり、出力端部に到達する入
射光８４は大幅に減少する。このような状態は、前記Ｗ
Ｇ素子５１における拡散状態に相当する。

【０１２５】本実施例のＷＧ素子５１のスイッチング
は、上述したような現象を動作原理としたものであり、
前記不変屈折率層５３がクラッド８２に相当し、可変屈
折率層である液晶層５２がコア８３に相当し、液晶層５
２の屈折率を変化させることによって調光を行うもので
ある。このような光導波路を用いることによって、入射
光の偏光にかかわらず、光の利用効率の高いスイッチン
グ特性が得られる。

【０１２６】図２８は、前記光ファイバ８１を１画素毎
に構成した表示装置の動作原理を説明するための図であ
る。ｎｃ＞ｎｇの場合、クラッド８２に入射した光８４
は、容易にコア８３に入射し、そのまま通過する。一
方、ｎｃ＜ｎｇの場合、クラッド８２を伝送路として伝
搬するので、表示品位を低下する原因となる。また、表
示品位の低下を防止するために、クラッド８２にブラッ
クマスクなどの遮光層を設けると、開口率が減少し、光
の利用効率が低下することとなる。

【０１２７】また、コア８３に、入射面に対して垂直に
入射した光８５は、コア／クラッド界面に入射すること
なく透過してしまうので、これも表示品位を低下させる
こととなる。

【０１２８】このように、光ファイバを用いた素子で
は、光の入射角や屈折率の変化に伴う不必要な光学出力
が発生し、これを防止するためにブラックマスクなどを
設けることによって開口率が減少するという問題が生じ
る。

【０１２９】図２９は、前記ＷＧ素子５１の動作原理を
説明するための図である。電源装置５７と透明電極５９
との間にスイッチ８６を設け、図２９（Ａ）に示される
ようにスイッチ８６を遮断した状態では、液晶層５２の
屈折率ｎｃと不変屈折率層５３の屈折率ｎｇとの関係
が、ｎｃ＞ｎｇとなる。このときの液晶層５２の屈折率
ｎｃは最大値ｎｃｍａｘである。入射光８７は液晶層５
２に入射し、さらに不変屈折率層５３の表面で屈折し、
遮光層６０に集光されて吸収される。したがって、観察
者には暗い（黒）状態として観察される。

【０１３０】一方、図２９（Ｂ）に示されるように、ス
イッチ８６を接続した状態では、屈折率の関係が、ｎｃ
≦ｎｇとなる。ここで液晶層５２の屈折率ｎｃは最小値
ｎｃｍｉｎである。入射光８７は液晶層５２に入射し、
不変屈折率層５３の表面で屈折せずにそのまま透過して
出射する。したがって、観察者には明るい（白）状態と
して観察される。このような２つの状態を切換えること
によってスイッチングを行うことができる。

【０１３１】図３０は、前記ＷＧ素子５１の電気光学特
性を示すグラフである。たとえば、電圧０Ｖと電圧Ｖｓ
ａｔとによって入射光の損失の少ない高コントラスト比
が得られるスイッチングが可能である。

【０１３２】なお本実施例では、可変屈折率層として液
晶層５２を用い、液晶配向膜として球晶性を有する材料
を用いて、光学的に等方性を示し、かつ屈折率を変化さ
せる場合について説明したけれども、液晶自身の屈折率
異方性を充分に利用するために、液晶分子を特定方向に
配向させ、液晶層５２のダイレクタ方向（平均配向方
向）に偏光面が来るように偏光を入射するように設計し
てもかまわない。

【０１３３】また、見かけ上、光学的に等方性を示し、
かつ外部から与えられるエネルギによって屈折率変化を
起こすような材料を前記液晶に代わって用いてもかまわ
ない。また配向処理方法としても上述した特性が得られ
るようであればどのような方法であってもかまわない。
たとえば、前記特性を示し、液晶に代わる材料として、
ＬｉＮｂＯ₃などの結晶を用いることができる。可変屈
折率層（本実施例では液晶層５２）としては、屈折率の
変化量を考慮して材料が選ばれる。コアおよびクラッド
間の屈折率差が大きいほど臨界角θｃは小さく、すなわ
ち臨界角が小さいほど全反射する入射光の入射角の範囲
が増加する。また、低い屈折率状態においては、ｎｃが
ｎｇに近づくか、あるいはｎｃがｎｇよりも小さくなる
ことで、より多くの光がコアからクラッド領域へ拡散す
る。すなわち、前記不変屈折率層５３の凹所に集光する
光が減少する。ｎｇ＞ｎｃの条件下においては、入射光
のほとんどがクラッド内を伝搬する。

【０１３４】不変屈折率層５３としては、加工性に優れ
た材料が選ばれ、また可変屈折率層との関係でその特性
が選ばれる。また、凹所の角度２θｇは、可変屈折率層
として用いる材料や不変屈折率層として用いる材料、お
よび入射光の広がり角θなどに応じて最適な値に選ばれ
る。

【０１３５】また、液晶層５２と不変屈折率層５３とを
逆にして設けても構わない。ただしこの場合、上述した
説明において、ｎｃとｎｇとの関係が逆になる。すなわ
ち電界無印加時には、ｎｇ＞ｎｃとなり、電界印加時に
はｎｇ≦ｎｃとなる。また、式（３）中の（ｎｇ／ｎ
ｃ）は（ｎｃ／ｎｇ）となる。さらに式（７）のｎｃは
ｎｇに、ｎｇはｎｃになる。

【０１３６】外部から与えられるエネルギとしては、電
界以外に電場などを用いてもよく、可変屈折率層材料の
屈折率を変化させることができるものであればどのよう
なものであってもかまわない。

【０１３７】また、光入射側の透明電極６２は、液晶層
５２の屈折率を変化させるためのものであり、その形状
は、使用目的などによって選ばれる。たとえば、アクテ
ィブマトリクス駆動型の場合には、一面に形成し、特定
の数字などのキャラクタ表示を行う場合には、そのキャ
ラクタの形状に形成される。

【０１３８】また、遮光層６０はクロム以外に感光性樹
脂などを用いてもよく、入射光を出射させないことのみ
を考慮すれば、アルミニウムなどの金属を用いてもかま
わない。遮光層６０としては、当該遮光層６０が占有す
る面積が小さいほど、光源からの光の利用効率が高くな
るけれども、充分なコントラスト比を得るためには、不
変屈折率層５３の凹所をほぼ覆う面積とすることが好ま
く、また光をほぼ完全に吸収し、遮光する物質を選ぶこ
とが好ましい。

【０１３９】前記可変屈折率層と不変屈折率層とから成
る光導波路層においては、以下のような特性が要求され
る。ＷＧ素子５１が光スイッチとして充分に機能するた
めには、前記式（７）の関係を満たすことが重要であ
る。光導波路層の不変屈折率層の形状は、前記式（７）
の入射光の入射角θｉに直接関与する。偏光が入射した
場合において、屈折率ｎｃ，ｎｇが変化したときの臨界
角θｃの変化は、図２３のグラフに示される。ＷＧ素子
５１において充分なスイッチング特性を得るためには、
不変屈折率層５３の前述した角度θｇが、 （π−θｇ）／２≧θｃ …（８） を満足する必要がある。このとき入射光は不変屈折率層
５３の表面で全反射し、不変屈折率層５３の凹所に集光
される。

【０１４０】従来技術の液晶表示装置は複屈折性の視角
依存性の関係から、前述した実施例の中のＶＦＬ素子
１，２１，２５はレンズの集光の関係から、それぞれほ
ぼ平行な入射光を用いなければ、充分なスイッチング特
性が得られない。本実施例のＷＧ素子５１は、液晶層５
２から不変屈折率層５３への入射光の入射角が臨界角θ
ｃ以上であれば充分なスイッチング特性が得られる。こ
のため、光源からの光を偏光ビームスプリッタ、λ／４
板＋反射鏡、λ／２板などを用いて特定偏光に変換し、
これを光源として用いた投写型液晶表示装置よりも光の
利用効率が高くなる。これは、投写型液晶表示装置が、
複数の光学素子を介在して構成されるため、光の損失が
増大するためである。また、さらに複雑な光学システム
を形成する必要がないので、光学システムの簡略化、低
コスト化を実現することができる。

【０１４１】特開平６−２５８６７２号公報の光シャッ
タと比較して、本実施例は、対向電極間に生じる電界に
よって液晶分子の配向を規制することから、同一平面上
に形成された複数の電極を用なくてよく、１画素に複数
の電極を形成したときには表示に利用可能な領域の減少
（開口率の低下）が生じない。また、カラー表示を行う
場合の、３本の信号線によって１ラインの表示を行うこ
とが容易である。

【０１４２】図３１は、本発明の第８の実施例であるＷ
Ｇ素子９０の構成を示す断面図である。前述した第７の
実施例のＷＧ素子５１がノーマリブラック方式の素子で
あったのに対し、本実施例のＷＧ素子９０はノーマリホ
ワイト方式の素子である。前記遮光層６０に代わって、
当該遮光層６０に対応した位置に透孔９１ａを有する遮
光層９１が設けられていることを特徴とする。また、前
記角度２θｇを１３０°に選んだ。その他については前
記ＷＧ素子５１と同様にして構成され、同じ構成部材に
は同じ参照符号を付して示す。

【０１４３】図３２は、前記ＷＧ素子９０の動作原理を
説明するための図である。図３２（Ａ）に示されるよう
にスイッチ８６を遮断した屈折率がｎｃ＞ｎｇである状
態では、入射光８７は、前述したのと同様に、液晶層５
２に入射し、不変屈折率層５３の表面で屈折して当該不
変屈折率層５３の凹所に集光する。この凹所には透孔９
１ａが形成されているので、集光された光は出射し、観
察者には明るい（白）状態として認識される。

【０１４４】図３２（Ｂ）に示されるようにスイッチ８
６を接続した屈折率がｎｃ≦ｎｇである状態では、入射
光８７が液晶層５２に入射し、さらに不変屈折率層５３
の表面で屈折することなく通過する。この光は、一部が
前記透孔９１ａから出射するけれども、そのほとんどが
遮光層９１によって吸収される。したがって、観察者に
は、暗い（黒）状態として認識される。

【０１４５】図３３は、前記ＷＧ素子９０の電気光学特
性を示すグラフである。たとえば、電圧０Ｖと電圧Ｖｏ
ｆｆとによって、光の利用効率の高いスイッチングを行
うことができる。

【０１４６】図３４は、本発明の第９の実施例であるＦ
ＬＭ装置９２の構成を示す断面図である。ＦＬＭ装置９
２は、透明電極５９，６２をともに複数の帯状に形成
し、かつ互いに直交するように配置したマトリクス型の
装置であり、電極の交差部分を画素とし、各画素内にお
いて複数の可変屈折率層５２と不変屈折率層５３とから
なる光導波路層を形成したことを特徴とする。また、遮
光層６０も複数個設けられる。当該ＦＬＭ装置９２は、
第７の実施例のＷＧ素子５１と同様のノーマリブラック
方式の素子である。なお、画素と画素との間の、電極５
９，６２の間にも、前記不変屈折率層５３が連続して形
成される。

【０１４７】たとえば、一般的な単純マトリクス駆動方
式のＬＣＤにおいて１画素の大きさは、その長手方向が
１００μｍ〜３５０μｍであることから、ＦＬＭ装置９
２において１画素当たり２〜７個の光スイッチとしての
ＷＧ素子が形成される。

【０１４８】このようなＦＬＭ装置９２を前記第５の実
施例で説明したのと同様に、ライトバルブとして用い、
投写型液晶表示装置を形成することも可能である。ま
た、バックライト上に配置して、直視型の液晶表示装置
とすることも可能である。

【０１４９】図３５は、本実施例の第１０の実施例であ
るＦＬＭ装置９４の１画素の領域を拡大して示す断面図
である。本実施例のＦＬＭ装置９４は、第９の実施例の
ＦＬＭ装置９２に、第６の実施例と同様のＴＦＴ素子４
０を各画素毎に設けたものであり、アクティブマトリク
ス駆動方式の素子である。ＴＦＴ素子４０は、第６の実
施例と同様にして作成される。このようにＴＦＴ素子４
０を設けることによって高精細化が可能となり、さらに
階調表示を行うことが可能となる。

【０１５０】ＬＣＤなどの空間光変調装置として用いる
場合、従来のＬＣＤでは、１つの画素サイズは、その長
手方向がおよそ５０μｍ〜３００μｍであり、たとえば
θｇ＝π／４の不変屈折率層５３を１画素毎に形成しよ
うとすると、セル厚が５０μｍ〜３００μｍ必要とな
る。このようなセル厚は、従来のラビング法などによる
配向規制方法では、充分に均一な液晶の配向状態が得ら
れない。たとえば、ポリイミド樹脂を配向膜として用
い、ラビング法による配向制御を行った場合のセル厚と
しては、２５μｍ〜５０μｍ程度が限界である。また、
前記厚いセル厚では、電界印加に対する応答速度が数ｓ
ｅｃ〜数十ｓｅｃと極端に遅くなり、光スイッチとして
だけではなく、表示用のライトバルブなどとしても使用
することが不可能である。

【０１５１】このようなセル厚の増大を解消するために
は、第９および第１０の実施例のように、１画素内にお
いて複数の光導波路層を作成する方法が有効である。こ
れによって、セル厚を従来の表示方式と同程度まで減少
させることが可能となる。１画素に１つのＷＧ素子を形
成する場合、画素ピッチＰ１、液晶層の厚み（セル厚）
ｄ１、および前記二等辺三角形の頂角２θｇは、 ｔａｎθｇ＝Ｐ１／ｄ１ ｄ１＝Ｐ１／ｔａｎθｇ の関係を有する。すなわち、ピッチＰ１が小さい程、セ
ル厚ｄ１が小さくなる。しかしながら、実際にＰ１＝５
０μｍ、θｇ＝３０°に設計した場合、ｄ１≒８６μｍ
となり、実用的ではない。１画素に複数のＷＧ素子を設
けると、ピッチＰ１が小さくなるので、セル厚ｄ１を小
さくすることが可能となる。セル厚の減少の度合は、不
変屈折率層の加工精度に依存し、現行の技術では１０μ
ｍ程度である。ただし、光導波路層１つに対して１つの
遮光層を有するため、作成する光導波路層の数について
は、使用目的および用途などによって最適化される。

【０１５２】たとえば、１画素に複数の光導波路層を設
定した場合、遮光層６０の領域が表示画素の半分以上の
領域を占めることがなく、偏光素子を用いた場合ほどの
光の利用効率の低下はない。また、可変屈折率層に入射
した光のほとんどと全てを不変屈折率層５３へ遷移させ
るためには、θｇ＞θｃとすればよく、可変屈折率層の
屈折率ｎｃの調整により、光の利用効率は減少しない。
このように、複数の光導波路層を１画素内に設定した場
合であっても、遮光層６０による光の利用効率の減少は
ほとんどない。

【０１５３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、集光レン
ズからの入射光は、可変屈折率層で集光されて、光の照
射面積は狭いけれどもその強度が強い光として、あるい
は集光されずに、光の照射面積は広いけれどもその強度
が弱い光として、可変屈折率層を通過して出射する。集
光レンズを設けることによって、集光レンズを通過した
光が集光される集光点を可変屈折率層内に設定すること
ができ、可変焦点レンズ素子として有効に用いることが
できる。

【０１５４】また、前記可変屈折率層にエネルギが印加
されていないときに集光レンズを通過した光が集光され
る集光点近傍に、集光光の照射領域にほぼ等しい大きさ
の遮光部材が配置され、集光された光が遮光部材によっ
て吸収される。このため、入射光が出射しない暗い
（黒）状態と、光が出射する明るい（白）状態とでスイ
ッチングを行うことができる。

【０１５５】また、前記集光点近傍に、集光光の照射領
域にほぼ等しい大きさの透孔を有する遮光部材が配置さ
れ、集光された光は遮光部材の透孔から出射する。この
ため、前述したのと同様の２状態でスイッチングを行う
ことができる。

【０１５６】また、各エネルギ印加手段の透明電極が対
向する部分に対して、集光レンズおよび遮光部材がそれ
ぞれ個別的に設けられる。したがって、前述したような
作用でスイッチングを行う、ドットマトリクス方式の可
変焦点レンズ素子で実現される空間光変調装置、たとえ
ば液晶表示装置を実現することができる。

【０１５７】また、前記可変屈折率層にエネルギが印加
されていないときに集光レンズを通過した光が、集光レ
ンズが設けられた側の一方エネルギ印加手段とは反対の
他方エネルギ印加手段の可変屈折率層側表面に集光する
ように、集光レンズの焦点距離および可変屈折率層の材
料などが選ばれる。このため、前記遮光部材は他方エネ
ルギ印加手段の可変屈折率層側表面に形成され、遮光部
材を他方エネルギ印加手段の可変屈折率層とは反対側
に、他方エネルギ印加手段から離れて設ける場合と比較
して、高い位置精度で設けることができる。

【０１５８】また本発明によれば、不変屈折率層と可変
屈折率層とが、一対のエネルギ印加手段間に配置され
る。また、前記不変屈折率層の屈折率ｎｇ、および可変
屈折率層の屈折率ｎｃは、（屈折率ｎｃの最小値）≦ｎ
ｇ≦（屈折率ｎｃの最大値）の関係を満たすように選ば
れる。入射光は、不変屈折率層の表面で反射して不変屈
折率層の所定の形状によって集光され、光の照射面積は
狭いけれどもその強度が強い光として、または可変屈折
率層から不変屈折率層に入射して当該不変屈折率層を伝
搬して集光されず、光の照射面積は広いけれどもその強
度が弱い光として出射する。可変屈折率層は、当該可変
屈折率層にエネルギが印加されていないときに光学的に
等方性を示し、光の利用効率が高く、光信号の高いコン
トラスト比が得られる。

【０１５９】また、不変屈折率層は所定の条件を満たす
三角柱状、あるいは円錐状の凹所を有する。したがっ
て、入射光は、前記不変屈折率層の凹所に集光される。

【０１６０】また、前記集光点近傍、すなわち前記不変
屈折率層の凹所付近に、集光光の照射領域にほぼ等しい
大きさの遮光部材が配置され、集光光が遮光部材で吸収
される。したがって、明るい（白）状態と、暗い（黒）
状態とでスイッチングを行うことができる。

【０１６１】また、前記集光点近傍、すなわち前記不変
屈折率層の凹所付近に、集光光の照射領域にほぼ等しい
大きさの透孔を有する遮光部材が配置され、集光光が遮
光部材の透孔によって吸収されずに出射する。したがっ
て、明るい（白）状態と、暗い（黒）状態とでスイッチ
ングを行うことができる。

【０１６２】また、各エネルギ印加手段の透明電極が対
向する部分に、不変屈折率層の凹所および遮光部材が、
それぞれ複数個設けられる。したがって、ドットマトリ
クス方式の光導波路で実現される空間光変調装置、たと
えば液晶表示装置を実現することができる。

【０１６３】また、光源および集光レンズが設けられ、
投写型の光導波路で実現される空間光変調装置、たとえ
ばライトバルブを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例であるＶＦＬ素子１ａの
構成を示す断面図である。

【図２】集光レンズ５を示す斜視図である。

【図３】前記ＶＦＬ素子１ａの動作原理を説明するため
の図である。

【図４】本発明の第２の実施例であるＶＦＬ素子１の構
成を示す断面図である。

【図５】前記ＶＦＬ素子１の動作原理を説明するための
図である。

【図６】前記ＶＦＬ素子１の電気光学特性を示すグラフ
である。

【図７】本発明の第３の実施例であるＶＦＬ素子２１の
構成を示す断面図である。

【図８】前記ＶＦＬ素子２１の動作原理を説明するため
の図である。

【図９】前記ＶＦＬ素子２１の電気光学特性を示すグラ
フである。

【図１０】本発明の第４の実施例であるＶＦＬ素子２５
の動作原理を説明するための図である。

【図１１】ＶＦＬ素子１，２５を示す図である。

【図１２】電極９，１２を示す斜視図である。

【図１３】前記ＶＦＬ素子２５の電気光学特性を示すグ
ラフである。

【図１４】本発明の第５の実施例であるＦＭＬ装置２６
の構成を示す断面図である。

【図１５】前記ＦＬＭ装置２６と同様にして構成される
ＦＬＭ装置２６ａ〜２６ｃを用いた投写型液晶表示装置
３９の構成を示す図である。

【図１６】本発明の第６の実施例であるＦＬＭ装置４７
の１画素の領域を拡大して示す断面図である。

【図１７】ＴＦＴ素子４０の製造方法を示す工程図であ
る。

【図１８】本発明の第７の実施例であるＷＧ素子５１の
構成を示す断面図である。

【図１９】前記ＷＧ素子５１の構成を示す斜視図であ
る。

【図２０】不変屈折率層５３の形状を示す図である。

【図２１】前記ＷＧ素子５１の他の構成を示す斜視図で
ある。

【図２２】不変屈折率層５３の他の形状を示す図であ
る。

【図２３】不変屈折率層５３を作成するために用いられ
る金型６８の製造方法を示す工程図である。

【図２４】前記金型６８の製造方法を段階的に示す断面
図である。

【図２５】前記ＷＧ素子５１に設定される条件を説明す
るための図である。

【図２６】光ファイバにおけるコアの屈折率と臨界角と
の関係を示すグラフである。

【図２７】光ファイバ８１の原理を説明するための図で
ある。

【図２８】光ファイバ８１を１画素毎に構成した表示装
置の動作原理を説明するための図である。

【図２９】前記ＷＧ素子５１の動作原理を説明するため
の図である。

【図３０】前記ＷＧ素子５１の電気光学特性を示すグラ
フである。

【図３１】本発明の第８の実施例であるＷＧ素子９０の
構成を示す断面図である。

【図３２】前記ＷＧ素子９０の動作原理を説明するため
の図である。

【図３３】前記ＷＧ素子９０の電気光学特性を示すグラ
フである。

【図３４】本発明の第９の実施例であるＦＬＭ装置９２
の構成を示す断面図である。

【図３５】本発明の第１０の実施例であるＦＬＭ装置９
４の１画素の領域を拡大して示す断面図である。

【図３６】第１の従来例であるＶＦＬ素子１０１の構成
を示す断面図である。

【図３７】印加電圧に対応した液晶分子１０２ａの状態
を示す図である。

【図３８】出射光の強度を示す図である。

【図３９】ＶＦＬ素子１０１の動作原理を説明するため
の図である。

【図４０】第２の従来例である液晶光シャッタ１２１の
構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２１，２５ ＶＦＬ素子 １ａ ＶＦＬ素子 ２，５２ 液晶層 ３，４，５４，５５ 基板部材 ５ 集光レンズ ７，５７ 電源装置 ８，１１，５８，６１ 透光性基板 ９，１２，５９，６２ 透明電極 １０，２２，６０，９１ 遮光層 １３，８６ スイッチ ２２ａ，９１ａ 透孔 ２６，２６ａ〜２６ｃ，４７，９２，９４ ＦＬＭ装置 ５１，９０ ＷＧ素子 ５３ 不変屈折率層 ５３ａ 凹所 ５３ｂ 三角柱の２つの側面が接する辺 ５３ｃ 円錐の頂点 ｎｇ 不変屈折率層の屈折率 ｎｃ 液晶層の屈折率 ｄ 不変屈折率層の凹所の深さ（断面二等辺三角形の高
さ） Ｄ 基板部材の間隔 Ｌ 不変屈折率層の断面二等辺三角形の底辺の長さ ２θｇ 不変屈折率層の断面二等辺三角形の頂点の成す
角

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部から与えられるエネルギによって屈
   折率が変化する透光性物質から成る可変屈折率層と、 前記可変屈折率層を間に介在し、前記エネルギを可変屈
   折率層に印加する透光性を有する一対のエネルギ印加手
   段と、 前記一対のエネルギ印加手段にエネルギを供給するエネ
   ルギ供給手段と、 前記一対のエネルギ印加手段のうちのいずれか一方エネ
   ルギ印加手段の外側に配置される集光レンズとを含むこ
   とを特徴とする可変焦点レンズ素子。
2. 【請求項２】 前記可変屈折率層にエネルギが印加され
   ていないときに集光レンズを通過した光が集光される集
   光点近傍に配置され、集光光の照射領域にほぼ等しい大
   きさの遮光部材を含むことを特徴とする請求項１記載の
   可変焦点レンズ素子。
3. 【請求項３】 前記可変屈折率層にエネルギが印加され
   ていないときに集光レンズを通過した光が集光される集
   光点近傍に配置され、集光光の照射領域にほぼ等しい大
   きさの透孔を有する遮光部材を含むことを特徴とする請
   求項１記載の可変焦点レンズ素子。
4. 【請求項４】 前記一対のエネルギ印加手段は、絶縁性
   を有する透光性基板上に形成される透明電極をそれぞれ
   含み、 前記集光レンズおよび遮光部材は、各エネルギ印加手段
   の透明電極の対向する部分に対してそれぞれ個別的に設
   けられることを特徴とする請求項２または３記載の可変
   焦点レンズ素子。
5. 【請求項５】 前記可変屈折率層にエネルギが印加され
   ていないときに集光レンズを通過した光が、集光レンズ
   が設けられた側の一方エネルギ印加手段とは反対の他方
   エネルギ印加手段の可変屈折率層側表面に集光すること
   を特徴とする請求項１記載の可変焦点レンズ素子。
6. 【請求項６】 外部から与えられるエネルギに依らず屈
   折率ｎｇが一定である透光性物質から成り、予め定める
   形状を有する不変屈折率層と、 外部から与えられるエネルギによって屈折率ｎｃが変化
   し、エネルギが印加されていないときに光学的に等方性
   を示す透光性物質から成る可変屈折率層と、 前記不変屈折率層および前記可変屈折率層を間に介在
   し、前記エネルギを前記可変屈折率層に印加する透光性
   を有する一対のエネルギ印加手段と、 前記一対のエネルギ印加手段にエネルギを供給するエネ
   ルギ供給手段とを含むことを特徴とする光導波路。
7. 【請求項７】 前記屈折率ｎｇ，ｎｃは、 （屈折率ｎｃの最小値）≦ｎｇ≦（屈折率ｎｃの最大
   値） の関係を満たすことを特徴とする請求項６記載の光導波
   路。
8. 【請求項８】 可変屈折率層にエネルギが印加されてい
   ないときに、一方エネルギ印加手段側から入射した光が
   集光される集光点が、他方エネルギ印加手段側に直線状
   に集合して設定され、 前記一対のエネルギ印加手段は、絶縁性を有する平板状
   の透光性基板をそれぞれ含み、 前記不変屈折率層は、三角柱状の凹所を有し、当該凹所
   は、三角柱の２つの側面が接する辺を通り、三角柱の伸
   びる方向に直交する方向であって、前記透光性基板の表
   面に垂直な切断面における断面形状が二等辺三角形に選
   ばれ、三角柱の前記２つの側面が接する辺と、前記集光
   点が集合した直線とが一致するようにして配置され、 前記可変屈折率層は、不変屈折率層の凹所に前記透光性
   物質を配置して形成され、 光が入射する一方エネルギ印加手段側の前記二等辺三角
   形の底辺の長さＬ、当該底辺に垂直な二等辺三角形の高
   さｄ、前記底辺に対向する頂点の成す角２θｇ、前記一
   対のエネルギ印加手段間の間隔Ｄ、および前記屈折率ｎ
   ｇ，ｎｃは、 Ｄ≧ｄ ９０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎｇ／ｎｃ）＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ／２ｄ）＝θｇ の関係を満たすことを特徴とする請求項６記載の光導波
   路。
9. 【請求項９】 可変屈折率層にエネルギが印加されてい
   ないときに、一方エネルギ印加手段側から入射した光が
   集光される集光点が、他方エネルギ印加手段側に設定さ
   れ、 前記一対のエネルギ印加手段は、絶縁性を有する平板状
   の透光性基板をそれぞれ含み、 前記不変屈折率層は、円錐状の凹所を有し、当該凹所
   は、円錐の頂点を通り、前記透光性基板の表面に垂直な
   任意の切断面における断面形状が二等辺三角形に選ば
   れ、円錐の頂点と、前記集光点とが一致するようにして
   配置され、 前記可変屈折率層は、不変屈折率層の凹所に前記透光性
   物質を配置して形成され、 光が入射する一方エネルギ印加手段側の前記二等辺三角
   形の底辺の長さＬ、当該底辺に垂直な二等辺三角形の高
   さｄ、前記底辺に対向する頂点の成す角２θｇ、前記一
   対のエネルギ印加手段間の間隔Ｄ、および前記屈折率ｎ
   ｇ，ｎｃは、 Ｄ≧ｄ ９０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎｇ／ｎｃ）＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ／２ｄ）＝θｇ の関係を満たすことを特徴とする請求項６記載の光導波
   路。
10. 【請求項１０】 前記可変屈折率層にエネルギが印加さ
    れていないときに、一方エネルギ印加手段側から入射し
    た光が集光される集光点近傍に配置され、集光光の照射
    領域にほぼ等しい大きさの遮光部材を含むことを特徴と
    する請求項８または９記載の光導波路。
11. 【請求項１１】 前記可変屈折率層にエネルギが印加さ
    れていないときに、一方エネルギ印加手段側から入射し
    た光が集光される集光点近傍に配置され、集光光の照射
    領域にほぼ等しい大きさの透孔を有する遮光部材を含む
    ことを特徴とする請求項８または９記載の光導波路。
12. 【請求項１２】 前記一対のエネルギ印加手段は、前記
    透光性基板上に形成される透明電極をそれぞれ含み、 前記不変屈折率層の凹所および遮光部材は、各エネルギ
    印加手段の透明電極の対向する部分に対してそれぞれ複
    数個設けられることを特徴とする請求項１０記載の光導
    波路。
13. 【請求項１３】 前記一対のエネルギ印加手段は、前記
    透光性基板上に形成される透明電極をそれぞれ含み、 前記不変屈折率層の凹所および遮光部材は、各エネルギ
    印加手段の透明電極の対向する部分に対してそれぞれ複
    数個設けられることを特徴とする請求項１１記載の光導
    波路。
14. 【請求項１４】 前記一方エネルギ印加手段の不変屈折
    率層および可変屈折率層とは反対側に配置される光源
    と、 前記他方エネルギ印加手段の不変屈折率層および可変屈
    折率層とは反対側に配置される集光レンズとを含むこと
    を特徴とする請求項６記載の光導波路。