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JP4014396B2 - Optical path switching element and spatial light modulator using the element - Google Patents
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JP4014396B2 - Optical path switching element and spatial light modulator using the element - Google Patents

Optical path switching element and spatial light modulator using the element Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路切替素子、及び該素子を用いた空間光変調器、より詳細には、入射光の反射方向を変化させることによって光路を変え、光スイッチングするデバイスである光路切替素子、及び該光路切替素子を用いた空間光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】
入射光の反射方向を変化させることによって光をスイッチングするデバイスおよびそれを用いた空間光変調器として、例えば特開平5−196880号公報に示されるような微小な回転鏡を二次元状に多数配列したものが知られている。
【0003】
図22は、上記特開平5−196880号公報に記載された空間光変調器の平面図であり、平面上では、図22に示すように、方形トーションビーム反射表面71とビーム支持ポスト72のみが観察される。図23は、図22に示した空間光変調器のひとつの回転鏡の断面図で、図23(A)はヒンジに沿っての断面図、図23(B)はそれと直角方向の断面図である。ビーム支持ポスト72は、ポスト75に連結されたヒンジ73の捻れによって、ビーム71を接地電極74に向けて回転可能にする。その駆動力はポスト76によって支持されたアドレス電極77に印加される電圧で与えられる。アドレス電極77への電圧印加は、基板層79に設けられたCMOS回路(図示せず)の信号を金属層78を介して伝達することにより行われる。ビーム71の回転状態を回転鏡ごとに変えることによって、入射した光を二次元的に空間変調することができる。
上記方式においては、大きな回転角を得るために回転鏡の構造が複雑になっており、製造コストが高くなるという問題がある。
【0004】
その他の光スイッチング素子として、例えば特開平11−202222号公報に開示されている光スイッチング素子がある。図24は、前記特開平11−202222号公報で提案されている光スイッチング素子の動作説明図である。この光スイッチング素子は、光を全反射して伝達可能な全反射面82を備えた導光部材81と、全反射面82に対し抽出面92を接近させてエバネッセント光を捉え、それを反射して出射することができるプリズム91と、このプリズム91を導光部材81に接近させ又は離すように駆動する駆動部100とを、光の出射方向に対してこの順番で積層した構成を有している。図24の右側のセルは、駆動部100を動作させることによってプリズム91がエバネッセント光の漏出する抽出距離以上離れた位置にある状態を示している。この時には、導光部材81中を伝搬してきた光線101は、図24に示されるように、全反射面82で全反射され全反射光102として図の右方向へと出射していく。駆動部100を動作させない時には、図24の左側のセルのように、プリズム91はエバネッセント光が漏出する抽出距離以下に近接しているので、導光部材81中を伝搬してきた光線101は、図24の左側のセルに示されるように、全反射面82で反射することなくプリズム91に進入する。プリズム91に進入した光線はプリズムの反射面91aで反射して、図24に示した光線103のように導光部材81を透過して出射される。
【0005】
上記の方式において、エバネッセント光の抽出・非抽出という2つの状態をスイッチングするには、光の波長程度以下の微小な変位でよいため比較的簡単な駆動機構を採用することができるが、図24に示したようなプリズム91は、その構造が複雑であるため、複数個を微小なサイズで基板上に均一に形成するのは困難であり、そのため、製造歩留まりが低下し、コストアップにつながるという問題がある。また、プリズム91を導光部材81,全反射面82に近接させるとファンデルワールス力あるいは液架橋力が作用して、引き剥がしが困難になるという問題もある。
【0006】
さらに、別の光スイッチング素子として、特開2000−171813号公報に開示されている光スイッチング素子がある。図25は、前記特開2000−171813号公報で提案されている光スイッチング素子の概略構成を示す図である。全反射により光を伝えている導光体110に接触させた液晶120に電圧を印加することにより液晶分子の配向をコントロールし、それにより実効的な屈折率を異常光に対する値と常光に対する値の間で変化させる。この結果、入射光(直線偏光)112が全反射光113として出射される状態と、透過光となったのち反射膜121によって向きを変えられて反射光114として出射させる状態とをスイッチングすることができる。なお、図25において、111は透明電極、130は液晶駆動用IC基板、131は電極端子である。
【0007】
この方式においては、機械的な駆動部を持たないため、前述のような問題は生じないが、導光体と液晶との界面で全反射させるために、導光体を屈折率の高い材料で作製する必要がある、あるいは光の入射角を大きくしなければならない、という制約があり、材料コストが高くなる、あるいは光学系が複雑になったり、光利用効率が低下するなど実用上好ましくない問題が生じる可能性がある。
そこで本発明者らは、上記の問題点を解決するために特願2001−187577号で図26に示す光路切替素子およびそれを用いた空間光変調器、画像表示装置を提案した。
【0008】
特願2001−187577号で提案している光路切替素子は、導光部材1を介した光入射部3と、光入射部3から入った入射光を反射する光反射部6との間に屈折率可変物質5を封入し、信号印加によって屈折率可変物質5の屈折率を変化させて、光出射部4において全反射する状態と全反射しない状態とを切り替えることで光スイッチングを行う。
一般に屈折率は入射光の波長や材料の種類、温度などによって変化するため、屈折角が波長や温度によって変化してしまうという問題がある。そのため、光路のずれによる光伝達効率の低下や画素のずれあるいは色ずれが発生し、光路切替素子、空間光変調器、表示装置として充分な性能を得られないという不具合がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決し、光路や画素のずれ、あるいは色ずれを防止したS/N比の大きな光路切替素子、及び該素子を用いた空間光変調器を提供することを目的とする。より具体的には、
(1)構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低減でき、光利用効率が高く、入射光の波長によって光路ずれの生じないS/N比の高い光路切替素子を提供すること(請求項1)、
(2)複雑な制御機構を必要とせずに光路ずれを防止できる光路切替素子を提供すること(請求項2)、
(3)複雑な制御機構を必要とせずに光路ずれを防止できる光路切替素子を提供すること(請求項3)、
(4)よりS/N比を高くできる光路切替素子を提供すること(請求項4)、
(5)さらにS/N比を高くできる光路切替素子を提供すること(請求項5)、
【0010】
(6)よりS/N比を高くできる光路切替素子を提供すること(請求項6)、
(7)上記に加え、製造が容易な光路切替素子を提供すること(請求項7)、
(8)上記に加え、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供すること(請求項8)、
(9)さらに、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供すること(請求項9)、
(10)さらに、製造が容易で、S/N比を高くできる光路切替素子を提供すること(請求項10)、
【0011】
(11)上記に加え、応答速度の速い光路切替素子を提供すること(請求項11)、
(12)上記に加え、光損失の小さい光路切替素子を提供すること(請求項12)、
(13)上記に加え、さらに、S/N比を高くできる光路切替素子を提供すること(請求項13)、
(14)構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低減でき、光利用効率が高く、S/N比の高い空間光変調器を提供すること(請求項14)、
をその目的とする。
【0012】
請求項1の発明は、導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中に前記屈折率可変物質を封入し、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行い、且つ、前記入射光の波長によって前記出射光の光路がずれないように、前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を設け、前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段は、入射光の前記導光部材への入射角および入射位置を該入射光の波長に応じて調節する入射光調整機構であることを特徴としたものである。
【0014】
請求項の発明は、導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中に前記屈折率可変物質を封入し、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行い、且つ、前記入射光の波長によって前記出射光の光路がずれないように、前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を設け、前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段は、入射光の波長に応じて前記屈折率可変物質にバイアス信号を印加するバイアス印加機構であることを特徴としたものである。
【0015】
請求項の発明は、請求項1または2の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記光出射部において前記導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことを特徴としたものである。
【0016】
請求項の発明は、請求項1乃至のいずれか一項の発明において、前記光入射部と前記光出射部とが互いに平行でない面で構成されていることを特徴としたものである。
【0017】
請求項の発明は、請求項1乃至のいずれか一項の発明において、前記出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けたことを特徴としたものである。
【0018】
請求項の発明は、請求項1乃至のいずれか一項の発明において、前記光入射部に光学的接合し、前記導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたことを特徴としたものである。
【0019】
請求項の発明は、請求項1乃至のいずれか一項の発明において、前記反射部が一辺を共有する2つの面によって構成され、前記屈折率可変物質に進入した入射光と前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度の動作範囲における最大値をθ2maxとすると、前記反射部を構成する少なくとも1つの面の法線と前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度が90°−θ2max以下であることを特徴としたものである。
【0020】
請求項の発明は、請求項1乃至のいずれか一項の発明において、前記反射部は、前記屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることを特徴としたものである。
【0021】
請求項の発明は、請求項1乃至のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶からなることを特徴としたものである。
【0022】
請求項10の発明は、請求項1乃至のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶/高分子複合体からなることを特徴としたものである。
【0023】
請求項11の発明は、請求項10の発明において、前記液晶材料が入射光の波長の1/5以下の粒径を有するドロップレットであることを特徴としたものである。
【0024】
請求項12の発明は、請求項9乃至11のいずれか一項の発明において、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることを特徴としたものである。
【0025】
請求項13の発明は、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の光路切替素子が一次元アレイ状または二次元アレイ状に配列されていることを特徴としたものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
(構成・動作)
本発明の特徴は導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中に屈折率可変物質を封入し、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備するとともに、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行う光路切替素子において、入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を設けることを特徴とする光路切替素子にある。
【0027】
ここで、導光部材の屈折率をn1、屈折率可変物質の屈折率をn2とし、導光部材中を透過する光が光入射部を構成する面の法線とのなす角度(入射角)をθ1、入射光が屈折率可変物質中に進入する際に前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度(屈折角)をθ2とすると、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。
sinθ2/sinθ1=n1/n2…(1)
【0028】
外部信号によってn2が変化すると、(1)式に従ってθ2が変化し、その結果、反射部での反射角が変わり、光出射部への入射角が変化する。その角度変化量は概略θ2の変化量程度であるが、導光部材の屈折率n1が導光部材に接触している外部物質の屈折率na(通常外部物質は空気であり、na=1)より大きい場合には光出射部から出射する際に屈折が生じ、出射光と光出射部を構成する面の法線とのなす角度(出射角)の変化量はθ2の変化量よりも大きくなる。これにより所定の位置で光出力を検出すれば、n2の変化に伴って光出力が変化することになり、信号印加による光スイッチングが可能となる。本発明の光路切替素子においては、原理的に導光部材の屈折率n1や入射角θ1に対する制約が少ないため、安価な部材を用いたデバイスおよびシステムを実現することができる。
【0029】
このとき入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を設けるので、入射光の波長が変わっても光路のずれを防止することができる。これにより、構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低減でき、光利用効率が高く、入射光の波長によって光路ずれの生じないS/N比の高い光路切替素子を提供することができる(請求項1)。
また、入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段が、入射光の導光部材への入射角および入射位置を入射光の波長に応じて調節する入射光調整機構であることを特徴としている。これにより、複雑な制御機構を必要とせずに光路ずれを防止できる光路切替素子を提供することができる(請求項2)。
【0030】
さらに入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段が、入射光の波長に応じて屈折率可変物質にバイアス信号を印加するバイアス印加機構であることを特徴としている。これにより、複雑な制御機構を必要とせずに光路ずれを防止できる光路切替素子を提供することができる(請求項3)。屈折率可変物質の屈折率は入射光の波長に依存し、その屈折率変化量は材料によって異なるため、ある波長の光に対して導光部材と屈折率可変物質の屈折率が同じように変化するとは限らない。そのため一定の入射角で光が入射しても屈折角は波長によって変化し、その結果出射方向が波長によって変わってしまう。そこで、本発明では図4に示すように外部信号に応じて金属膜7に信号を印加する駆動信号発生装置22の他に、入射光の波長に応じて一定のバイアス信号を印加するためのバイアス信号発生装置23を設け、入射光源の波長に応じてバイアス信号を重畳することで屈折率可変物質の屈折率を制御して、出射光の角度を一定となるようにしている。これによって、印加するバイアス信号を変えることでどのような波長の入射光に対しても出射光の方向を一定に保つことが可能となる。
【0031】
また、信号による屈折率可変物質の屈折率変化を、反射部で反射した光が光出射部において導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことが好ましい。この場合、θ2の変化量に比べて出射角の変化量が非常に大きくなり、さらに高いS/N比が得られる(請求項4)。
【0032】
上記において、光入射部と光出射部とが互いに平行でない面で構成されていることが好ましい。このようにすることにより出射角の変化量をより大きくすることができるので、より高いS/N比が得られる(請求項5)。
出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けることが好ましい。光出射部から出射した光は、再び第二の導光部材に入射し、第二の光出射部から出射するため、S/N比の高い光路切替素子を提供できる(請求項6)。
【0033】
さらに上記において、光入射部に光学的に接合し、導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けることが製造の容易さから好ましい。この場合、平板導光体と反射部材とこの間に狭持された屈折率可変物質とによって構成されるデバイスを作製した後に、導光部材を光学的に接触させればよいので、複雑な形状の導光部材を用いてデバイスを作製するよりは格段に製造が容易となる(請求項7)。
【0034】
反射部が一辺を共有する2つの面によって構成され、光入射部から屈折率可変物質に進入した入射光と光入射部を構成する面の法線とのなす角度の動作範囲における最大値をθ2maxとすると、反射部を構成する少なくとも1つの面の法線と光入射部を構成する面の法線とのなす角度が90°−θ2max以下であることが好ましい。このようにすることによって反射部から光入射部までの距離を小さくすることができるので、屈折率可変物質に与えるエネルギー(駆動エネルギー)を小さくすることができる(請求項8)。
【0035】
さらに、反射部が、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることが好ましい。このようにすることによって反射部から光入射部までの距離をさらに小さくすることができるので、駆動エネルギーをより小さくすることができる(請求項9)。
【0036】
屈折率可変物質としては、外部からエネルギーを与えることによって屈折率が変化するものであれば使用可能であるが、制御のしやすさから電界によって屈折率が変化する、いわゆる電気光学材料が好適に使用できる。電気光学材料としては、ポッケルス効果を示すLiNbO3やカー効果を示すBaTiO3やPLZTなどの固体結晶、液晶などが知られているが、中でも電界強度当たりの屈折率変化量が大きいことおよび流動性があることから液晶が好ましい。屈折率変化量が大きいことにより、θ2の変化量を大きくすることができ、その結果、光出射部へ入射する角度φ1の変化量を大きくすることができるので、全反射する状態と全反射しない状態とを確実に切り替えることができるので、高いS/N比を得ることができる。また、流動性があることにより導光部材(あるいは平板導光体)および反射部材への光学的接触を容易に実現することができる(請求項10)。
【0037】
屈折率可変物質として、液晶/高分子複合体を用いることが応答速度の点から好ましい。このような液晶/高分子複合体として、液晶ドロップレットを高分子マトリクス中に分散した、いわゆる高分子分散液晶が好適に使用できる。高分子分散液晶の応答速度は液晶ドロップレットの粒径を小さくするにつれて速くなることが実験的にわかっており、特に、入射光の波長の1/5以下の粒径にすることが、散乱が減少し光透過率が高くなる、すなわち光損失が著しく小さくなることから好ましい。なお、ここでいう粒径とは構造体を代表する粒径であって、通常は電子顕微鏡写真等によって計測された平均粒径が好適に使用される(請求項11、請求項12)。
【0038】
上記の液晶は電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることが好ましい。この方向を電圧印加時に液晶分子が揃う方向(電界方向)とほぼ直交させることにより大きな屈折率差が得られるため、θ2の変化量を大きくすることができ、その結果、光出射部へ入射する角度φ1の変化量を大きくすることができるので、全反射する状態と全反射しない状態とを確実に切り替えることができ、これにより高いS/N比を得ることができる(請求項13)。
【0039】
本発明による光路切替素子を一次元もしくは二次元に配列することで空間光変調器を構成することができる。このような空間光変調器は構造が簡単であり、また使用する部材の制約が少ないために、耐久性が高く安価なものとなる。一次元に配列した空間光変調器は光路切替素子の配列方向に垂直な方向に走査する走査機構を用いることで二次元の空間光変調ができるが、一次元の空間光変調器は二次元の空間光変調器に比べて安価であるため、より低コストとなる。すなわち、構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低減でき、光利用効率の高い空間光変調器を提供することができる(請求項14)。
【0040】
また上記の空間光変調器と、光線入射手段および空間光変調器により形成した画像をスクリーンに拡大投影する手段を設けることにより、耐久性が高く安価な画像表示装置を構成することができる。
【0041】
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態を説明するための図で、図中、1はガラス、プラスチック等からなる光学的に透明な導光部材で、該導光部材1は光源からの光線を屈折率可変物質5に入射させる光入射部3、反射部6で反射した光線を導光部材1の外部へと出射させる光出射部4を有している。この例では光入射部3を構成する面と光出射部4を構成する面とは平行となっている。反射部6を含む反射部材15はSi、ガラス等からなる基板9上にガラス、プラスチックまたは酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等のセラミックス等からなる絶縁体8で傾斜面を形成した後、傾斜面にAl、Ag等からなる高反射率の金属膜7を真空蒸着、スパッタリング等の公知の方法で形成して得ることができる。また、必要に応じてフォトリソエッチングによりパターンニングしてもよい。この金属膜7は電極としても作用する。基板9には金属膜7に信号電圧を印加するための駆動素子等を形成するのが望ましい。
【0042】
反射部材15としては、絶縁体8が基板9を兼ねる構成や金属板を基板として直接傾斜面を形成する構成等も可能である。好適な傾斜面形成方法の一例を挙げれば、面積階調もしくは濃度諧調のパターンを形成したフォトマスクを用いてパターンニングしてドライエッチングを行う異方性エッチング法がある。屈折率可変物質5としては、液晶が好適に使用できる。液晶材料としてはネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは2種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。
【0043】
光入射部3には屈折率可変物質5に電圧を印加するためのITO等からなる透明電極10が設けられている。屈折率可変物質5が液晶のように流動性のある材料からなる時には、エポキシ樹脂等からなるシール材11を形成して、保持するのがよい。作製工程の一例を示せば、導光部材1(もしくは反射部材15)の周辺部に熱硬化性のエポキシ樹脂を一部に開口部(注入孔)を残して印刷した後、反射部材15(もしくは導光部材1)を貼り合わせて加熱硬化する。注入孔から液晶を注入した後、孔を接着剤で塞げば完成する。
【0044】
図1(A)は、屈折率可変物質5の屈折率n2が導光部材1の屈折率n1より大きい場合で、屈折角θ2は式(1)に従って入射角θ1より小さくなる。反射部6を構成する面の法線と光入射部3を構成する面の法線とのなす角度=反射部を構成する面の傾斜角αをα=θ2/2に設定しておけば、反射光は光入射部3に垂直に入射し出射する。
【0045】
図1(B)はn2がn1と概略同程度の場合でθ2はθ1にほぼ等しいため図1(A)の時よりも反射角が大きくなり、反射光は光出射部4に対して概略φ1=θ1−θ2の角度で入射し、導光部材1に接触している外部物質2が空気(na=1)の場合には出射角φ2=sin-1(n1sinφ1)で出射する。図1(A)の出射光が検出面に垂直に入射するように光検出器13を設置すると、図1(A)の場合には検出される(オン状態)が、図1(B)の場合にはほとんど検出されず(オフ状態)、良好なS/N比が得られる。
ここで入射光の波長が変化するとき、光出射部4からの出射光の位置および方向が波長によらず同一となるように、導光部材1への入射光の入射角および入射位置を入射光の波長に応じて調節する入射光調整機構を用いる。
【0046】
屈折率可変物質5の屈折率は入射光の波長に依存し、その屈折率変化量は材料によって異なるため、ある波長の光に対して導光部材1と屈折率可変物質5の屈折率が同じように変化するとは限らない。そのため図2に示すように、異なる波長の光が同一の入射角で入射すると波長によって屈折角は変化し、その結果λ1,λ2,λ3に示すように出射方向が波長によって変わってしまう。そこで、オン状態の時に図1(A)に示すように入射光の波長によらず反射光が光検出器13に入射するように入射光の波長に応じて導光部材1へ入射する入射光の入射位置及び入射角を変える。これによって波長による出射光の光路ずれを防止することができる。オフ状態についても出射光が波長によって光路ずれを起こさないように入射光の位置や角度を調節してもよいし、図1(B)のように光路ずれを起こしたオフ状態の出射光が光検出器13に入射しないのならば、オフ状態については入射光の位置や角度の調整を行わなくても良い。ただし、後述するような空間光変調器や表示装置として用いる場合には一つの入射光でオン状態とオフ状態の両方を出力するため、オン状態の光路ずれを防止するように入射光位置・角度を調節し、オフ状態については光路ずれを調節しないことになる。
【0047】
入射光の位置や角度を調節する入射光調節機構としては、波長ごとに光源を設ける場合には光源ごとに位置や角度を変えて設けることで実現できる。また一つの光源でフィルタなどを使って波長を切り替える場合には、図3に示すように光源33と光路切替素子30との間に反射角度や位置を可変できるミラー、プリズムなどの反射素子31を設けることで実現できる。
【0048】
具体的な例として、導光部材1をクラウンガラスBK7(nd=1.517)で作製し、屈折率可変物質5をネマティック液晶E7(常光屈折率no=1.522,異常光屈折率ne=1.746)とし、図示しない配向膜を用いて液晶分子12を、図1(A)に示すように、光入射部3に対して水平で紙面に垂直な方向に予め配向しておく。配向膜としてはSiO、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極10および金属膜7の表面に形成するのが好ましい。入射光取込部16と光入射部3とのなす角ψを60°とする。光源として3つの波長のレーザー光(633nm、532nm、488nm)を用い、それぞれ導光部材1への入射角および入射位置を変えられるようにした。
【0049】
図1(A)の状態でレーザー光(波長633nm)をS偏光として入射光取込部16に垂直すなわちθ1=60°で入射させると、この光に対しては屈折率可変物質5における液晶の屈折率はn2=ne=1.746となるので、式(1)に従ってθ2=49°となる。α=24.5°に設定すると反射光は光出射部4に対して垂直に出射して光検出器13に入射する。波長532nmのレーザー光は入射光取込部16に対して入射角0.5°で入射するようにすることで反射光は光出射部4から垂直に出射して光検出器13に入射する。また波長488nmのレーザー光は入射光取込部16に対して入射角1°で入射するようにすることで反射光は光出射部4から垂直に出射して光検出器13に入射する。
【0050】
図1(B)のときには3つのレーザー光の出射光路はずれるが、そのずれはわずかであり、φ1は約11°となり出射角φ2は約17°で出射する。
以上のように波長による光路ずれを防止して、かつ高いS/N比を得ることができる。
なお上記においては、入射光をS偏光としたが、P偏光であってもよく、その場合には電圧印加時と無印加時の光の振る舞いが逆になる。P偏光を用いると界面反射損失が減少するので、光利用効率の点ではより好ましい。
【0051】
(実施の形態2)
本発明の第2の実施形態を図4に基づき説明する。本実施形態は第一の実施形態とは異なり、入射光の位置や角度はその波長によらず第1の実施形態の633nmのレーザー光の場合と同じすなわち入射光取込部16に対して垂直としておく。そして外部信号に応じて屈折率可変物質5を駆動するための駆動信号発生装置22に加えて入射光の波長に応じてバイアス信号を印加するためのバイアス信号発生装置23を備えている。なお、本実施形態での屈折率可変物質5は液晶であるので、印加する信号は電圧となり、以下ではバイアス信号をバイアス電圧と記す。入射光の波長が633nmの場合にはバイアス電圧は印加せず、532nmの場合には0.5Vのバイアスを印加する。また、488nmの場合には1Vのバイアス電圧を印加する。これによって波長による光路ずれを防止できる。
【0052】
(実施の形態3)
本発明の第3の実施形態を図5に基づき説明する。本実施形態は、第1の実施形態と異なり、光入射部3を構成する面と光出射部4を構成する面が平行ではない。その他の設定は第1の実施形態と同様である。光出射部4を構成する面と光入射部3を構成する面とのなす角βをβ=40°に設定してある。そのほかは第1の実施形態と同じである。
【0053】
波長633nmのレーザー光は入射光取込部16に対して垂直に入射させ、532nmのレーザー光は入射角を0.5°、488nmのレーザー光は入射角を1°とすることで、出射光の出射角は全てφ2=47°となり、図5(B)のようにオン状態で光路のずれを防止できる。図5(A)では出射角φ2はレーザー光の波長で変わるがその差は小さく約77°で出射する。
この場合図5(A)と図5(B)とで出射角の差が30°と、第1の実施形態に比べて大きくなるので、出射エリアが大きい場合でも漏れ光が検出されることが少なくなり、S/N比の低下を少なくすることができる。
【0054】
(実施の形態4)
本発明の第4の実施の形態を図6に基づき説明する。基本的な構成は第3の実施の形態と同様であるが、光出射部4を構成する面と光入射部3を構成する面とのなす角βをβ=45°と大きくしている。波長633nmのレーザー光は入射光取込部16に対して入射角48°で入射させ、532nmのレーザー光は入射角を47.5°、488nmのレーザー光は入射角を46.5°とすることで、オン状態の出射光の出射角は全てφ2=58°となり、図6(B)のようにオン状態で光路のずれを防止できる。図6(A)の時には反射光の光出射部4に対する入射角φ1は波長によって異なるがその差は小さく、約45°となる。この時外部物質2が空気(na=1)の場合には下式(3)を満たすので、反射光は光出射部4において全反射する。
sinφ1≧na/n1 …(3)
この場合出射角の差は180°−(45°+58°)=77°となるので、ほとんど漏れ光を検出することはなく、高いS/N比を得ることができる。
【0055】
(実施の形態5)
図7は、本発明の第5の実施の形態を説明するための図である。図7において、17は導光部材1と同じ材質からなる第二の導光部材で、18は出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部である。この例では光出射部4と第二の導光部材17(ともに入射光の波長程度の平滑度で仕上げている)をラフに密着させることによって、入射光の波長程度の空隙(空気層)を持たせている。また、第二の光出射部18を構成する面は光入射部3を構成する面とほぼ平行となるようにしている。また、光入射面と光出射面とのなす角βはβ=34°、反射部6を構成する面の傾斜角αをα=30°とした。その他の設定は第4の実施形態と同様である。
【0056】
図7(B)の時には、光出射部4から出射した光はほぼ直進(実際には波長程度平行移動する)して、再び第二の導光部材17に入射し、第二の光出射部18から波長による光路のずれなく垂直に出射する。図7(A)の時には、第4の実施形態と同様に反射部材15で反射した光は光出射部4と空隙部の空気層との界面で全反射する。この場合図7(A)と図7(B)とで出射角の差が90°を超えるので、漏れ光を検出することはなく、非常に高いS/N比を得ることができる。
【0057】
(実施の形態6)
図8は、本発明の第6の実施の形態を説明するための図で、図中、19は導光部材1と屈折率が概略等しい平板導光体で、導光部材1とは光学的接合がなされている。その他の構成は第4の実施形態と同様であり、動作原理も同じである。光学的接合とは、両部材間の間隙が使用する光の波長に比べて充分に小さいほどに密着している状態であって、具体的には、流動性のある物体を両者間に介在させることによって得ることができる。流動性のある物体は両部材との密着を確保した後に固化しても構わない。より具体的には、流動性のある物体として、屈折率が概略導光部材1および平板導光体19と等しい揮発性の低い液体あるいは光硬化性接着剤を用いるのが好適である。この実施形態においては、屈折率可変物質5と接するのは平板導光体19であるので、透明電極10は平板導光体19上に形成される。この場合導光部材1の接合は最後に行えばよいので、デバイスの主要部分の作製を複雑な形状の導光部材1を用いないで行うことができるため、歩留まりが向上し、コストを低減することができる。
【0058】
(実施の形態7)
図9は、本発明の第7の実施の形態を説明するための図で、この場合、反射部6が一辺を共有する2つの面(反射面24および逆傾斜面25)によって構成され、屈折率可変物質5に進入した入射光と光入射部3を構成する面の法線とのなす角度(屈折角)θ2の動作範囲における最大値をθ2maxとすると、反射部6を構成する少なくとも1つの面(この例では逆傾斜面25)の法線と光入射部3を構成する面の法線とのなす角度=逆傾斜面の傾斜角γが90°−θ2max以下となっている。その他の構成は第3の実施形態と同様である。この場合、θ2max=θ1=60°であるので、γを30°以下に設定すると、光入射部3における入射光の照射エリアAは第1の実施形態と同じであるため、反射面24の底辺から導光部材1の光入射部3までの距離、すなわち屈折率可変物質5の最大層厚tmaxを小さくすることができ、駆動電圧を低くすることができる。
【0059】
(実施の形態8)
図10は、本発明の第8の実施の形態を説明するための図で、この場合、図9の実施形態における照射エリアAに対向する領域に反射面24および逆傾斜面25を複数組(図10では2組)設けている。図10から明らかなように、照射エリアAが図9と等しい場合には、tmaxがさらに小さくなり、より駆動電圧を低減できる。
【0060】
本発明においては、導光部材1の屈折率は屈折率可変物質(液晶)5の最小の屈折率(no)と同等もしくはそれより小さくてもよいため、上記実施形態では最も典型的な光学ガラスであるBK7を用いた例を挙げたが、特開2000−171813号公報に開示されているような導光部材と液晶との界面での全反射を利用する従来技術を用いて、上記実施形態と同じ液晶(E7)と入射角(60°)を適用した場合には屈折率が1.76以上の導光部材を用いなければならず、コストアップにつながる。
【0061】
(実施の形態9)
図11は、本発明の第9の実施の形態を説明するための図である。本実施形態は、屈折率可変物質5として、高分子分散液晶を用いる以外は第5の実施形態と同様の構成を有している。高分子分散液晶は高分子マトリクス27中に液晶ドロップレット26が分散されてなる。液晶材料としてはネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは2種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。高分子マトリクス材料としては透明なポリマーが好ましく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれであってもよい。
【0062】
高分子分散液晶の製法としては、
(1)液晶と熱あるいは光硬化(重合)性モノマーやオリゴマーもしくはプレポリマーで溶液を作り、重合によって相分離させる重合相分離法、
(2)液晶と高分子と溶剤で溶液を作り、溶剤を蒸発させることによって相分離させる溶媒蒸発相分離法、
(3)液晶と熱可塑性高分子を加熱溶解させた後、冷却によって相分離させる熱相分離法など、
を用いることができる。
【0063】
ポリマーとしては、製造工程の容易さ、液晶相との分離性等の点から紫外線硬化型の樹脂を用いるのが好ましい。具体的な例として、紫外線硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に、紫外線照射によって重合硬化するアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するものが好ましい。このようなモノマーまたはオリゴマーとしては(ポリ)エステルアクリレート、(ポリ)ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリブタジエンアクリレート、シリコーンアクリレート、メラミンアクリレート、(ポリ)ホスファゼンメタクリレート等がある。その他の例として、チオール−エン系も光硬化速度が速いことから好適に使用できる。
【0064】
重合を速やかに行うために光重合開始剤を用いてもよく、この例としてジクロロアセトフェノンやトリクロロアセトフェノン等のアセトフェノン類、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンゾイル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、モノサルファイド、チオキサントン類、アゾ化合物、ジアリルヨードニウム塩、トリアリルスルフォニウム塩、ビス(トリクロロメチル)トリアジン化合物等を挙げることができる。
【0065】
この紫外線硬化性化合物中に液晶材料を均一に溶解させた液状物を反射部材15と導光部材1あるいは平板導光体19間に注入した後、紫外線照射を行うことによって紫外線硬化性化合物を硬化させると同時に液晶材料を相分離させ、高分子分散液晶層を形成する。
【0066】
具体的な高分子分散液晶の例として、ネマティック液晶BL24(no=1.513,ne=1.717,メルク社)を紫外線硬化性プレポリマーNOA81(ノーランド社)に溶解(液晶重量濃度45%)し、紫外線(400mW/cm2)を照射したもの(液晶ドロップレットの平均粒径は約60nm)を用いた場合、図11(A)の時には、液晶分子の配向したドロップレット26の向きがランダムであるため、層全体が光学的に等方な媒体になっており、その屈折率はほぼ液晶の平均屈折率(≒(2no+ne)/3≒1.58)と高分子マトリクス27の屈折率(≒1.56)との体積平均(≒1.57)と見なすことができる。なお、この場合予め配向処理を行っていない。導光部材1をクラウンガラスBK7(nd=1.517)とし、入射角を75°に設定すると、屈折角は69°となるので、α=34.5°に設定すれば反射光は光入射部3にほぼ垂直に入射する。β=43°に設定すると反射光は光出射部4に対してφ1=43°で入射する。この時、式(2)を満たすので、反射光は光出射部4において全反射する。
【0067】
図11(B)の時には、液晶分子が電界方向に配列し、S偏光に対する高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率(≒no=1.513)と高分子マトリクス27の屈折率(≒1.56)との体積平均(≒1.54)と見なすことができる。この時、屈折角は72°となり、反射光は光出射部4に対してφ1=40°で入射し、出射角φ2=77°で出射する。
【0068】
以上のようにθ2の変化量を大きくすることで光出射部4へ入射する角度φ1の変化量を大きくすることができるので、全反射する状態と全反射しない状態とを確実に切り替えることができて、高いS/N比を得ることができる。
また、図11(A)の状態と図11(B)の状態との間のスイッチング時間は数10μsのオーダーが得られ、この値はバルク液晶に比べ2桁程度高速になっている。
液晶ドロップレットサイズと応答速度の関係についてさらに詳細に調べた結果を以下に示す。高分子分散液晶における液晶ドロップレットの大きさは、プレポリマーの組成、液晶の混合濃度、硬化時の紫外線強度等を変えることによって変化させることができる。
【0069】
図12は、液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係を示した図である。液晶材料はE7およびBL24(メルク社)、プレポリマーはNOA60,65および81(ノーランド社)を適宜用いた。
図13は、応答速度測定装置の一例を示す図で、図中、41はレーザー光源、42は偏光子、43及び44はレンズ、45は検光子、46はパワーメータ、47は試料、48はAu電極、49は高分子分散液晶層、50はSi基板である。この測定は、試料47にパルス電圧(200V)を印加した時の光出力の立ち上がり時間(Ton)と立ち下がり時間(Toff)の合計を測定した。なお、試料47は高分子分散液晶層49の厚さを20μm、光路長を1mmとした。
【0070】
図14は、高分子分散液晶に電界が印加されていない時と印加されている時の様子を模式的に示す図である。電界が印加されていない時には、図14(A)に示すように、液晶ドロップレット26の向きはランダムであるので、x軸、y軸、z軸方向の屈折率はどれも等しく、層全体が光学的に等方な媒体になっている。z方向に電界28を印加すると、図14(B)に示すように、液晶ドロップレット26における液晶分子の分子軸がこの方向にそろうため、z軸方向の屈折率は大きくなり、x軸およびy軸方向の屈折率はお互いに等しいまま、その大きさが小さくなる。
【0071】
図13に示すように、レーザー光源41からの光が電界方向とは垂直のx方向から入射される場合、yz平面に複屈折が生じるために偏光状態を変化させることができ、検光子45を通した光出力が変化する。本発明ではこのような複屈折現象は利用しないが、電界印加時の液晶分子の挙動とそれに伴う屈折率変化を利用するので、図12の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図12から液晶ドロップレットサイズが小さくなるにつれて応答速度が速くなることがわかる。
【0072】
さらには、液晶ドロップレットの粒径を入射光の波長の1/5以下、より望ましくは1/10以下にすることが光透過率の観点から好ましい。以下に、レイリー散乱理論から光透過率を計算した結果を示す。体積Vの球形散乱体が数密度Nで存在する場合、厚さLの媒体の光透過率Tは下記式(3)のように表される。T=exp(−NRL)、R=24π3((m2−1)/(m2+2))22/λ4
…(3)
式(3)において、Rは散乱断面積、mは散乱体の屈折率と媒体の屈折率の比、λは使用する光の波長である。m=1.07、L=100μmとした時の透過率Tを散乱体すなわち液晶ドロップレットの粒径d、体積分率(=NV)および波長λをパラメータとして計算した。式(3)からわかるように、dが大きくなる(すなわちVが大きくなる)ほど、またλが小さくなるほどTが減少する。また、透過率としては、90%(T=0.9)以上であることが光利用効率の点から好ましい。
【0073】
図15は、T=0.9となる粒径を体積分率が10%(d(0.1))、30%(d(0.3))および50%(d(0.5))の場合について、波長に対してプロットしたグラフである。体積分率が小さいと屈折率変化量が小さくS/N比がとれなくなるので、体積分率は10%以上が好ましく、50%程度がより好ましい。これ以上の体積分率では作製が極めて困難になる。この観点から、図15より、光路切替素子として適用される可視〜赤外領域の波長に対しては、dがλ/5以下であるのが好ましく、λ/10以下であることがより好ましい。なお、この計算ではmおよびLを固定したが、実デバイスにおいてこれ以下の値であると考えられるため、上記の粒径範囲であれば問題はない。
【0074】
(実施の形態10)
図16は、本発明の第10の実施の形態を説明するための図である。本実施形態は、電圧無印加時(図16(A)の時)に、液晶ドロップレット26中の全ての液晶分子が概略一方向に配列している以外は第7の実施形態と同様の構成を有する。この配列方向は電圧印加時(図16(B)の時)に液晶分子が揃う方向(電界方向)とほぼ直交し、導光部材1の光入射部3に対して水平で紙面に垂直な方向にするのがよい。こうすることにより、大きな屈折率差が得られるため、θ2の変化量を大きくすることができ、高いS/N比を得ることができる。具体的には、第6の実施形態と同様の材料および処方の高分子分散液晶を用いた場合、図16(A)の時に、高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率(≒ne=1.717)と高分子マトリクス27の屈折率(≒1.56)との体積平均(≒1.61)と見なすことができる。第6の実施形態と同様に入射角を75°に設定すると、屈折角は66°となるので、α=33°に設定すれば反射光は光入射部3にほぼ垂直に入射する。β=43°に設定すると反射光は光出射部4に対してφ1=43°で入射する。この時、式(2)を満たすので、反射光は光出射部4において全反射する。
【0075】
図16(B)の時には、液晶分子が電界方向に配列し、S偏光に対する高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率(≒no=1.513)と高分子マトリクス27の屈折率(≒1.56)との体積平均(≒1.54)と見なすことができる。この時、屈折率は72°となり、反射光は光出射部4に対してφ1=37°で入射し、出射角φ2=66°で出射する。
【0076】
θ2の変化量を大きくすることで光出射部4へ入射する角度φ1の変化量を大きくすることができるので、全反射する状態と全反射しない状態とを確実に切り替えることができて、高いS/N比を得ることができる。
なお、入射角を60°に設定した場合、図16(A)の時、屈折角θ2は55°となる。このときα=27.5°,β=43°に設定すると、図16(B)の時、φ1=39°,φ2=73°となる。特に後述のような二次元空間光変調器やそれを用いた画像表示装置に適用する場合、入射角が小さい(好ましくは60°以下である)方が照明光学系の設計が容易になるので望ましい。
【0077】
液晶分子を予め一方向に配列させる方法として、前述のような配向膜を用いる方法以外に以下に示すような方法を用いることも可能である。高分子マトリクス材料を重合する際に電界を印加することで、液晶を一方向に配向することができる。この時、液晶に接しているプレポリマーは液晶の配向に引きずられて同じ方向に配向する。この状態でプレポリマーを重合すると液晶との界面は液晶の配向に倣った形で固定される。この界面構造は液晶に対して配向膜として機能するため、高分子マトリクス材料が硬化した後に電界を解除しても、液晶は重合時に印加していた電界方向に揃うことになる。
【0078】
(実施の形態11)
図17は、本発明の第11の実施の形態を説明するための図で、図中、60は一次元空間光変調器で、図17(A)は一次元空間光変調器60の斜視概略図、図17(B)は図17(A)をB方向から見た概略構成図、図17(C)は図17(A)をC方向から見た概略構成図である。本実施形態の基本的な構成は第7の実施の形態と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜7が一次元アレイ状に配置されている。基板9には各個別電極に接続され、それらに選択的に信号を供給するための駆動素子が設けられるのが好ましい。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号を印加することによって、選択された個別電極(金属膜7)からの反射光のみが光出射部4から出射し、ライン状の光のON/OFF(空間光変調)ができる。個別電極が配列している方向と垂直な方向に走査する走査装置と組み合わせることで二次元の空間光変調ができる。
【0079】
また、図18に示すように、一次元空間光変調器60の個別電極(金属膜7)への駆動信号供給とガルバノミラー等からなる走査機構63の駆動を画像信号に基づいて制御し、得られた二次元空間光変調された光線を投影レンズ64によってスクリーン65に投影することで、画像表示装置を形成することができる。図18において、光源61にはレーザー、LED、ランプ等を用いることができる。また、コリメートレンズ62を光インテグレータとしてもよく、これらの後段には図示しない偏光変換光学系を付与してもよい。
【0080】
(実施の形態12)
図19は、本発明の第12の実施の形態を説明するための図で、図19は二次元空間光変調器70の斜視概略図である。本実施形態の基本的な構成は図17と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜7が二次元アレイ状に配置されている。反射部材15には各個別電極に接続され、それらに選択的に信号を供給するための駆動素子が設けられるのが好ましい。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号を印加することによって、選択された個別電極(金属膜7)からの反射光のみが光出射部4から出射し、面状の光のON/OFF(空間光変調)ができる。この場合、空間光変調器だけで二次元の空間光変調ができるため、図18に示したような走査機構63は不要で、光出射部4の外側に投影レンズ64を設置し、スクリーン65に投影することで画像表示装置を形成することができる。
【0081】
なお、図17,図19に示した例では導光部材1を共通にして一つにしているが、導光部材1を各光路切替素子ごとに分割しても構わない。また、上記一次元アレイ状の空間光変調器もしくは二次元アレイ状の空間光変調器を使った画像表示装置では、赤、緑、青など複数の波長の入射光を使い、時分割で各色の画像を表示したり(フィールドシーケンシャル方式)、複数の空間光変調器を設けて各色の画像を同時に投影することで、フルカラー画像を表示することもできる。
【0082】
(実施例1)
図20は、二次元空間光変調器の製作工程の一例を説明するための図である。該二次元空間光変調器は以下のようにして作製した。
(1)反射部材の作製(図20(A))
Si基板9の表面にMOSFETによる駆動素子51を複数個形成し、その上にCVD法により5μm厚の酸化シリコンによる酸化膜(絶縁体8)を堆積した。次に、面積階調のパターンを形成したフォトマスクを用いてパターンニングしてドライエッチングを行うことによって傾斜面およびコンタクトホール52を形成した。メタルCVDによる穴埋めを行った後、スパッタリングによりアルミニウムを0.1μm厚で堆積し、反射膜兼個別電極(金属膜7)となるようにパターンニングした。この上にスピンコートにより0.1μm厚のポリイミド膜を形成し、ラビングを行うことにより配向膜53を形成した。
【0083】
(2)セルの作製(図20(B))
クラウンガラス(BK7)からなる平板導光体19の片面に50nm厚のITOからなる透明電極10およびポリイミドからなる配向膜54を形成したものと図20(A)に示した反射部材とを、エポキシ樹脂からなるシール材11を用いて貼り合わせ、空セルを作製した。シール材の一部には注入孔を設けた。
【0084】
(3)液晶の注入(図20(C))
図20(C)に示した空セル内を真空排気した後、液晶(E7)による屈折率可変物質5を注入し、注入孔を封止した。
【0085】
(4)導光部材の接合(図20(D))
平板導光体19の上面に光硬化性接着剤を用いて、導光部材1および第二の導光部材17を接合した。
上述のようにして作製した空間光変調器を用いて、以下のように画像表示を行った。
断面がほぼ長方形となるように整形されたレーザー光(波長633nm、532nm、488nm)をS偏光として光入射部3より入射した。入射光取込部16に対する各レーザーの入射角はそれぞれ0°、0.5°、1°とした。駆動素子51により画像データに応じて選択的に個別電極(金属膜7)に電圧(5V)を印加したところ、第二の光出射部18から空間変調された出力光が取り出され、(図示しない)投影レンズによりスクリーンに各波長で色ずれのない拡大投影画像(2値)を得ることができた。
【0086】
(実施例2)
図21は、二次元空間光変調器の製作工程の他の例を説明するための図で、該二次元空間変調器は以下のようにして作製した。
(1)反射部材の作製(図21(A))
Si基板9の表面にMOSFETによる駆動素子51を複数個形成し、その上にCVD法により5μm厚の酸化シリコンによる酸化膜(絶縁体8)を堆積した。次に、面積階調のパターンを形成したフォトマスクを用いてパターンニングしてドライエッチングを行うことによって傾斜面およびコンタクトホール52を形成した。メタルCVDによる穴埋めを行った後、スパッタリングによりアルミニウムを0.1μm厚で堆積し、反射膜兼個別電極(金属膜7)となるようにパターンニングした。この上にスピンコートにより0.1μm厚のポリイミド膜を形成し、ラビングを行うことにより配向膜53を形成した。
【0087】
(2)セルの作製(図21(B))
クラウンガラス(BK7)からなる平板導光体19の片面に50nm厚のITOからなる透明電極10およびポリイミドからなる配向膜54を形成したものと、図21(A)に示した反射部材とをエポキシ樹脂からなるシール材11を用いて貼り合わせ、空セルを作製した。シール材の一部には注入孔を設けた。
【0088】
(3)注入(図21(C))
図21(B)に示した空セル内を真空排気した後、液晶(BL24)と紫外線硬化性化合物(NOA81)の混合物(液晶濃度45wt%)55を注入し、注入孔を封止した。
(4)硬化(図21(D))
高圧水銀ランプによりUV光(400mW/cm2)56を照射し、高分子分散液晶による屈折率可変物質5を形成した。
【0089】
(5)導光部材の接合(図21(E))
平板導光体19の上面に光硬化性接着剤を用いて、導光部材1および第二の導光部材17を接合した。
上述のようにして作製された空間光変調器を用いて、以下のように画像表示を行った。
断面がほぼ長方形となるように整形されたレーザー光(波長633nm、532nm、488nm)をS偏光として光入射部3より入射した。入射光取込部16に対する各レーザーの入射角はそれぞれ0°、0.5°、1°とした。駆動素子51により画像データに応じて選択的に個別電極(金属膜7)に電圧(5V)を印加したところ、第二の光出射部18から空間変調された出力光が取り出され、(図示しない)投影レンズによりスクリーンに各波長で色ずれのない拡大投影画像(64諧調)を得ることができた。
【0090】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の光路切替素子によれば、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中に屈折率可変物質を封入し、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備するとともに、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行う光路切替素子において、入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を設けることにより、構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低減でき、光利用効率が高く、入射光の波長によって光路ずれの生じないS/N比の高い光路切替素子を提供することができる。
【0091】
また、入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を、入射光の導光部材への入射角および入射位置を入射光の波長に応じて調節する入射光調整機構とすることにより、複雑な制御機構を必要とせずに光路ずれを防止できる光路切替素子を提供することができる。
【0092】
また、入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を、入射光の波長に応じて屈折率可変物質にバイアス電圧を印加するバイアス印加機構とすることにより、複雑な制御機構を必要とせずに光路ずれを防止できる光路切替素子を提供することができる。
【0093】
また、信号による屈折率可変物質の屈折率変化を、反射部で反射した光が光出射部において導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことにより、よりS/N比を高くできる光路切替素子を提供することができる。また、光入射部と光出射部とを互いに平行でない面で構成することにより、さらにS/N比を高くできる光路切替素子を提供することができる。また、出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けることにより、S/N比の高い光路切替素子を提供できる。
【0094】
また、導光部材に光学的接合し、導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けることにより、上記に加え、製造が容易な光路切替素子を提供することができる。また、反射部を一辺を共有する2つの面によって構成し、屈折率可変物質に進入した入射光と光入射部を構成する面の法線とのなす角度の動作範囲における最大値をθ2maxとした時、反射部を構成する少なくとも1つの面の法線と光入射部を構成する面の法線とのなす角度が90°−θ2max以下であるようにすることにより、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供することができる。また、反射部が、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有するように構成することにより、さらに駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供することができる。
【0095】
また、屈折率可変物質を液晶とすることにより、さらに製造が容易で、S/N比を高くできる光路切替素子を提供することができる。また、屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶/高分子複合体(高分子分散液晶)とすることにより、上記に加え、応答速度の速い光路切替素子を提供することができる。また屈折率可変物質を高分子分散液晶により構成し、液晶を入射光の波長の1/5以下の粒径を有するドロップレットとすることにより、上記に加え、光損失の小さい光路切替素子を提供することができる。
【0096】
また、屈折率可変物質を高分子分散液晶により構成し、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列しているようにすることにより、上記に加え、さらにS/N比を高くできる光路切替素子を提供することができる。
【0097】
さらに上記本発明の光路切替素子を一次元又は二次元アレイ状に配列することにより、構造が簡単で耐久性が高く、部材コストを低減でき、光利用効率の高い空間光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態を説明するための図である。
【図2】 異なる波長光の出射方向が変化する例を説明するための図である。
【図3】 入射光調節機構の一例を説明するための図である。
【図4】 本発明の第2の実施形態を説明するための図である。
【図5】 本発明の第3の実施形態を説明するための図である。
【図6】 本発明の第4の実施の形態を説明するための図である。
【図7】 本発明の第5の実施の形態を説明するための図である。
【図8】 本発明の第6の実施の形態を説明するための図である。
【図9】 本発明の第7の実施の形態を説明するための図である。
【図10】 本発明の第8の実施の形態を説明するための図である。
【図11】 本発明の第9の実施の形態を説明するための図である。
【図12】 液晶ドロップレットサイズと応答速度との関係を示した図である。
【図13】 応答速度測定装置の一例を示す図である。
【図14】 高分子分散液晶に電界が印加されていない時と印加されている時の様子を模式的に示す図である。
【図15】 T=0.9となる粒径を体積分率が10%、30%および50%の場合について、波長に対してプロットしたグラフである。
【図16】 本発明の第10の実施の形態を説明するための図である。
【図17】 本発明の第11の実施の形態を説明するための図である。
【図18】 本発明の画像表示装置の構成例を示す概略図である。
【図19】 本発明の第12の実施の形態を説明するための図である。
【図20】 二次元空間光変調器の製作工程の一例を説明するための図である
【図21】 二次元空間光変調器の製作工程の他の例を説明するための図である。
【図22】 特開平5−196880号公報に記載された空間光変調器の平面図である。
【図23】 図22に示した空間光変調器のひとつの回転鏡の断面図である。
【図24】 特開平11−202222号公報で提案されている光スイッチング素子の動作説明図である。
【図25】 特開2000−171813号公報で提案されている光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図26】 特願2001−187577号に記載された光路切替素子の一例を示す図である。
【符号の説明】
1…導光部材、2…外部物質、3…光入射部、4…光出射部、5…屈折率可変物質、6…反射部、7…金属膜、8…絶縁体、9…基板、10…透明電極、11…シール材、12…液晶分子、13…光検出器、15…反射部材、16…入射光取込部、17…第二の導光部材、18…第二の光出射部、19…平板導光体、22…駆動信号発生装置、23…バイアス信号発生装置、24…反射面、25…逆傾斜面、26…液晶ドロップレット、27…高分子マトリクス、28…電界、30…光路切替素子、31…反射素子、33…光源、41…レーザー光源、42…偏光子、43,44…レンズ、45…検光子、46…パワーメータ、47…試料、48…Au電極、49…高分子分散液晶層、50…Si基板、51…駆動素子、52…コンタクトホール、53,54…配向膜、55…混合物、56…UV光、60…一次元空間光変調器、61…光源、62…コリメートレンズ、63…走査機構、64…投影レンズ、65…スクリーン、70…二次元空間光変調器、71…方形トーションビーム反射表面、72…ビーム支持ポスト、73…ヒンジ、74…接地電極、75…ポスト、76…ポスト、77…アドレス電極、78…金属層、79…基板層、81…導光部材、82…全反射面、91…プリズム、91a…プリズムの反射面、92…抽出面、100…駆動部、101…光線、102…全反射光、103…光線、110…導光体、111…透明電極、112…入射光(直線偏光)、113…全反射光、114…反射光、120…液晶、121…反射膜、130…液晶駆動用IC基板、131…電極端子。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical path switching element, and a spatial light modulator using the element, more specifically, an optical path switching element that is an optical switching device that changes an optical path by changing a reflection direction of incident light, and The present invention relates to a spatial light modulator using an optical path switching element.
[0002]
[Prior art]
As a device for switching light by changing the reflection direction of incident light and a spatial light modulator using the device, for example, a large number of minute rotating mirrors as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-196880 are arrayed two-dimensionally. Is known.
[0003]
FIG. 22 is a plan view of the spatial light modulator described in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 5-196880. On the plane, only the rectangular torsion beam reflecting surface 71 and the beam support post 72 are observed as shown in FIG. Is done. 23 is a cross-sectional view of one rotating mirror of the spatial light modulator shown in FIG. 22, FIG. 23 (A) is a cross-sectional view along the hinge, and FIG. 23 (B) is a cross-sectional view in a direction perpendicular thereto. is there. The beam support post 72 enables the beam 71 to rotate toward the ground electrode 74 by twisting of a hinge 73 connected to the post 75. The driving force is given by a voltage applied to the address electrode 77 supported by the post 76. A voltage is applied to the address electrode 77 by transmitting a signal of a CMOS circuit (not shown) provided on the substrate layer 79 through the metal layer 78. By changing the rotation state of the beam 71 for each rotary mirror, the incident light can be spatially modulated two-dimensionally.
In the above system, the structure of the rotary mirror is complicated in order to obtain a large rotation angle, and there is a problem that the manufacturing cost increases.
[0004]
As another optical switching element, for example, there is an optical switching element disclosed in JP-A-11-202222. FIG. 24 is a diagram for explaining the operation of the optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-202222. This optical switching element captures evanescent light by reflecting the light guide member 81 having a total reflection surface 82 capable of transmitting the light by totally reflecting the light, and the extraction surface 92 close to the total reflection surface 82. And a driving unit 100 that drives the prism 91 to approach or move away from the light guide member 81 in this order in the light emission direction. Yes. The cell on the right side of FIG. 24 shows a state in which the prism 91 is located more than the extraction distance at which evanescent light leaks by operating the driving unit 100. At this time, the light beam 101 propagating through the light guide member 81 is totally reflected by the total reflection surface 82 and is emitted in the right direction in the figure as shown in FIG. When the driving unit 100 is not operated, the prism 91 is close to the extraction distance or less where the evanescent light leaks as shown in the left cell of FIG. As shown in the left cell of 24, the light enters the prism 91 without being reflected by the total reflection surface 82. The light beam that has entered the prism 91 is reflected by the reflecting surface 91a of the prism, and is transmitted through the light guide member 81 and emitted as the light beam 103 shown in FIG.
[0005]
In the above system, a relatively simple drive mechanism can be employed to switch between the two states of extraction and non-extraction of evanescent light, since a minute displacement less than or equal to the wavelength of light may be used. Since the prism 91 as shown in FIG. 3 is complicated in structure, it is difficult to uniformly form a plurality of prisms 91 on a substrate with a minute size, resulting in a decrease in manufacturing yield and an increase in cost. There's a problem. Further, when the prism 91 is brought close to the light guide member 81 and the total reflection surface 82, there is also a problem that the van der Waals force or the liquid bridging force acts to make it difficult to peel off.
[0006]
Furthermore, as another optical switching element, there is an optical switching element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-171813. FIG. 25 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-171813. The orientation of the liquid crystal molecules is controlled by applying a voltage to the liquid crystal 120 that is brought into contact with the light guide 110 that transmits light by total reflection, whereby the effective refractive index is set to a value for extraordinary light and a value for ordinary light. Vary between. As a result, it is possible to switch between a state in which incident light (linearly polarized light) 112 is emitted as total reflected light 113 and a state in which the incident light (linearly polarized light) 112 is changed in direction by the reflective film 121 and then emitted as reflected light 114 after becoming transmitted light. it can. In FIG. 25, 111 is a transparent electrode, 130 is a liquid crystal driving IC substrate, and 131 is an electrode terminal.
[0007]
In this method, since there is no mechanical drive unit, the above-mentioned problems do not occur, but the light guide is made of a material having a high refractive index in order to totally reflect it at the interface between the light guide and the liquid crystal. There are restrictions that need to be produced or that the incident angle of light has to be increased, which raises material costs, complicates the optical system, and lowers the light utilization efficiency. May occur.
In order to solve the above problems, the present inventors have proposed an optical path switching element shown in FIG. 26, a spatial light modulator using the same, and an image display device in Japanese Patent Application No. 2001-187577.
[0008]
The optical path switching element proposed in Japanese Patent Application No. 2001-187777 is refracted between the light incident part 3 via the light guide member 1 and the light reflecting part 6 that reflects incident light entering from the light incident part 3. The optical switching is performed by enclosing the refractive index variable material 5, changing the refractive index of the refractive index variable material 5 by applying a signal, and switching between the total reflection state and the non-total reflection state in the light emitting unit 4.
In general, since the refractive index varies depending on the wavelength of incident light, the type of material, temperature, and the like, there is a problem that the refraction angle varies depending on the wavelength and temperature. For this reason, there is a problem that the light transmission efficiency is lowered due to the optical path deviation, the pixel deviation or the color deviation occurs, and sufficient performance cannot be obtained as the optical path switching element, the spatial light modulator, and the display device.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an optical path switching element having a large S / N ratio that prevents optical path and pixel shift or color shift and a spatial light modulator using the optical path switching element. . More specifically,
(1) To provide an optical path switching element with a simple structure, high durability, reduced member cost, high light utilization efficiency, and high S / N ratio that does not cause optical path shift depending on the wavelength of incident light. 1),
(2) To provide an optical path switching element capable of preventing an optical path shift without requiring a complicated control mechanism (claim 2),
(3) To provide an optical path switching element capable of preventing optical path deviation without requiring a complicated control mechanism (claim 3);
(4) to provide an optical path switching element capable of increasing the S / N ratio (claim 4);
(5) To provide an optical path switching element capable of further increasing the S / N ratio (claim 5),
[0010]
(6) to provide an optical path switching element capable of increasing the S / N ratio (Claim 6);
(7) In addition to the above, providing an optical path switching element that is easy to manufacture (claim 7),
(8) In addition to the above, to provide an optical path switching element capable of reducing drive energy (claim 8),
(9) Furthermore, providing an optical path switching element capable of reducing drive energy (claim 9),
(10) Further, an optical path switching element that is easy to manufacture and that can increase the S / N ratio is provided (claim 10).
[0011]
(11) In addition to the above, providing an optical path switching element with a high response speed (claim 11),
(12) In addition to the above, providing an optical path switching element with small optical loss (claim 12),
(13) In addition to the above, further provides an optical path switching element capable of increasing the S / N ratio (claim 13),
(14) To provide a spatial light modulator having a simple structure, high durability, reduced member cost, high light utilization efficiency, and high S / N ratio (claim 14);
Is the purpose.
[0012]
  According to a first aspect of the present invention, there is provided a light incident portion that causes light incident through the light guide member to be incident on the refractive index variable material, and a reflective portion that reflects incident light that has entered the refractive index variable material from the light incident portion. A light emitting part that emits light as outgoing light through the light guide member, encapsulating the refractive index variable substance in an optical path including the reflecting part, and sending a signal according to information to the refractive index variable substance In an optical path switching element having a signal input means for causing a change in refractive index, a change in refractive index of the refractive index variable substance due to the signal is caused by the incident light at an interface between the light guide member and the refractive index variable substance. Provided means for controlling the direction of the outgoing light in accordance with the wavelength of the incident light so that the optical path of the outgoing light does not deviate depending on the wavelength of the incident light.The means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light is an incident light adjusting mechanism that adjusts the incident angle and the incident position of the incident light to the light guide member according to the wavelength of the incident light.It is characterized by that.
[0014]
  Claim2The invention ofA light incident part for allowing light incident through the light guide member to enter the refractive index variable substance, a reflection part for reflecting incident light that has entered the refractive index variable substance from the light incident part, and the light guide member. And a light emitting part that emits the light as an outgoing light. The refractive index variable substance is enclosed in an optical path including the reflecting part, and a signal is given to the refractive index variable substance according to information to cause a refractive index change. In the optical path switching element comprising a signal input means, the refractive index change of the refractive index variable substance due to the signal is performed in a range in which the incident light is not totally reflected at the interface between the light guide member and the refractive index variable substance, And a means for controlling the direction of the outgoing light according to the wavelength of the incident light is provided so that the optical path of the outgoing light does not shift depending on the wavelength of the incident light,The means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light is a bias applying mechanism that applies a bias signal to the refractive index variable substance according to the wavelength of the incident light.
[0015]
  Claim3The invention of claim 1Or 2In the first aspect of the present invention, the light reflected by the reflecting part is totally reflected at the interface between the light guide member and the external substance in contact with the light reflecting part by the change in the refractive index of the refractive index variable substance due to the signal. And a second state in which total reflection is not possible.
[0016]
  Claim4The invention of claim 1 to claim 13In the invention according to any one of the above, the light incident portion and the light emitting portion are configured by surfaces that are not parallel to each other.
[0017]
  Claim5The invention of claim 1 to claim 14The invention according to any one of the above, is characterized in that a second light emitting portion is provided that can emit the emitted light to the outside via the second light guide member.
[0018]
  Claim6The invention of claim 1 to claim 15In the invention according to any one of the above, a flat light guide body that is optically joined to the light incident portion and has a refractive index substantially equal to that of the light guide member is provided.
[0019]
  Claim7The invention of claim 1 to claim 16In the invention according to any one of the above, an angle formed by incident light that has entered the refractive index variable material and a normal of the surface that constitutes the light incident portion, the reflective portion being configured by two surfaces sharing one side The maximum value in the operating range of2maxThen, the angle formed by the normal line of at least one surface constituting the reflection part and the normal line of the surface constituting the light incident part is 90 ° −θ.2maxIt is characterized by the following.
[0020]
  Claim8The invention of claim 1 to claim 17In the invention according to any one of the above, the reflecting portion has a plurality of sets of surfaces with respect to a unit element that applies a signal to the refractive index variable substance.
[0021]
  Claim9The invention of claim 1 to claim 18In the invention according to any one of the above, the refractive index variable substance is made of liquid crystal.
[0022]
  Claim10The invention of claim 1 to claim 18In the invention according to any one of the above, the refractive index variable substance is made of a liquid crystal / polymer composite in which a liquid crystal material is dispersed and held in a polymer matrix.
[0023]
  Claim11The invention of claim10In the invention, the liquid crystal material is a droplet having a particle size of 1/5 or less of the wavelength of incident light.
[0024]
  Claim12The invention of claim9 to 11In the invention according to any one of the above, all liquid crystal molecules are arranged in approximately one direction when no voltage is applied.
[0025]
  Claim13The invention of claim 1 to claim 112The optical path switching elements according to any one of the above are arranged in a one-dimensional array or a two-dimensional array.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Configuration / Operation)
A feature of the present invention is that a light incident portion via a light guide member, a reflection portion that reflects incident light that has entered from the light incident portion, and light reflected by the reflection portion is emitted through the light guide member. And a signal input means for enclosing a refractive index variable substance in an optical path including the reflection part and providing a signal according to information to the refractive index variable substance to cause a refractive index change. And an optical path switching element that changes the refractive index of the refractive index variable material by the signal in a range in which the incident light is not totally reflected at the interface between the light guide member and the refractive index variable material. According to the present invention, there is provided an optical path switching element characterized in that means for controlling the direction of outgoing light is provided.
[0027]
Here, the refractive index of the light guide member is n1, The refractive index of the refractive index variable substance is n2And the angle (incident angle) between the light transmitted through the light guide member and the normal of the surface constituting the light incident part is θ1When the incident light enters the refractive index variable material, the angle (refractive angle) formed with the normal of the surface constituting the light incident part is θ2Then, the following equation holds according to Snell's law.
sinθ2/ Sinθ1= N1/ N2... (1)
[0028]
N by external signal2Changes to θ according to equation (1)2As a result, the reflection angle at the reflecting portion changes, and the incident angle to the light emitting portion changes. The angle change is approximately θ2The refractive index n of the light guide member1Is the refractive index n of the external material in contact with the light guide membera(Usually the external material is air and na= 1) If larger, refraction occurs when the light exits from the light exit, and the amount of change in the angle (exit angle) between the exit light and the normal of the surface constituting the light exit is θ2It becomes larger than the amount of change. Thus, if the light output is detected at a predetermined position, n2With this change, the optical output changes, and optical switching by applying a signal becomes possible. In the optical path switching element of the present invention, in principle, the refractive index n of the light guide member1And incident angle θ1Therefore, a device and a system using inexpensive members can be realized.
[0029]
At this time, since the means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light is provided, the deviation of the optical path can be prevented even if the wavelength of the incident light changes. As a result, it is possible to provide an optical path switching element with a simple structure, high durability, reduced member cost, high light utilization efficiency, and high S / N ratio that does not cause an optical path shift depending on the wavelength of incident light ( Claim 1).
Further, the means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light is an incident light adjusting mechanism for adjusting the incident angle and the incident position of the incident light to the light guide member according to the wavelength of the incident light. It is said. Accordingly, it is possible to provide an optical path switching element that can prevent an optical path shift without requiring a complicated control mechanism (claim 2).
[0030]
Further, the means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light is a bias applying mechanism that applies a bias signal to the refractive index variable material according to the wavelength of the incident light. Thus, it is possible to provide an optical path switching element that can prevent an optical path shift without requiring a complicated control mechanism. Since the refractive index of the refractive index variable substance depends on the wavelength of the incident light, and the amount of change in the refractive index varies depending on the material, the refractive index of the light guide member and the refractive index variable substance changes in the same way for light of a certain wavelength. Not always. Therefore, even if light is incident at a constant incident angle, the refraction angle changes depending on the wavelength, and as a result, the emission direction changes depending on the wavelength. Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 4, in addition to the drive signal generator 22 that applies a signal to the metal film 7 according to an external signal, a bias for applying a constant bias signal according to the wavelength of incident light. A signal generator 23 is provided to control the refractive index of the refractive index variable substance by superimposing a bias signal in accordance with the wavelength of the incident light source, so that the angle of the emitted light becomes constant. Thus, by changing the bias signal to be applied, the direction of the outgoing light can be kept constant for incident light of any wavelength.
[0031]
In addition, the refractive index change of the refractive index variable substance due to the signal is not totally reflected in the first state where the light reflected by the reflecting part is totally reflected at the interface between the light guide member and the external substance in contact with the light emitting part. It is preferable to carry out within a range that can be taken with the second state. In this case, θ2The amount of change in the emission angle becomes very large compared to the amount of change in (3), and a higher S / N ratio can be obtained.
[0032]
In the above, it is preferable that the light incidence part and the light emission part are configured by surfaces that are not parallel to each other. By doing so, the amount of change in the emission angle can be increased, so that a higher S / N ratio can be obtained.
It is preferable to provide a second light emitting portion that can emit the emitted light to the outside via the second light guide member. Since the light emitted from the light emitting part again enters the second light guide member and is emitted from the second light emitting part, an optical path switching element having a high S / N ratio can be provided.
[0033]
Further, in the above, it is preferable from the viewpoint of ease of manufacture to provide a flat light guide optically joined to the light incident portion and having a refractive index substantially equal to that of the light guide member. In this case, it is only necessary to optically contact the light guide member after manufacturing a device composed of the flat plate light guide, the reflective member, and the refractive index variable material sandwiched therebetween, Manufacture is much easier than manufacturing a device using a light guide member.
[0034]
The reflection part is composed of two surfaces sharing one side, and the maximum value in the operating range of the angle between the incident light that has entered the refractive index variable material from the light incident part and the normal of the surface that constitutes the light incident part is θ2maxThen, the angle formed by the normal of at least one surface constituting the reflecting portion and the normal of the surface constituting the light incident portion is 90 ° −θ.2maxThe following is preferable. By doing so, the distance from the reflecting portion to the light incident portion can be reduced, so that the energy (driving energy) given to the refractive index variable substance can be reduced.
[0035]
Furthermore, it is preferable that the reflecting portion has a plurality of sets of surfaces for the unit element that applies a signal to the refractive index variable substance. By doing so, the distance from the reflecting portion to the light incident portion can be further reduced, so that the driving energy can be further reduced.
[0036]
As the refractive index variable substance, any substance can be used as long as the refractive index is changed by applying energy from the outside, but a so-called electro-optical material in which the refractive index is changed by an electric field is preferable for ease of control. Can be used. As an electro-optic material, LiNbO exhibiting the Pockels effectThreeBaTiO which shows the car effectThreeAmong them, solid crystals such as PLZT and liquid crystals are known. Among them, liquid crystals are preferable because of a large amount of change in refractive index per electric field strength and fluidity. Since the amount of change in refractive index is large, θ2Can be increased, and as a result, the angle φ incident on the light emitting portion1Since the amount of change of can be increased, the state of total reflection and the state of not total reflection can be switched reliably, so that a high S / N ratio can be obtained. Further, due to the fluidity, optical contact with the light guide member (or the flat light guide) and the reflection member can be easily realized (claim 10).
[0037]
A liquid crystal / polymer composite is preferably used as the refractive index variable substance from the viewpoint of response speed. As such a liquid crystal / polymer composite, a so-called polymer dispersed liquid crystal in which liquid crystal droplets are dispersed in a polymer matrix can be suitably used. It has been experimentally found that the response speed of polymer-dispersed liquid crystals increases as the particle size of the liquid crystal droplets decreases, and in particular, the scattering can be reduced by setting the particle size to 1/5 or less of the wavelength of incident light. This is preferable because the light transmittance is decreased and the light transmittance is increased, that is, the light loss is remarkably reduced. The particle size referred to here is a particle size representative of a structure, and usually an average particle size measured by an electron micrograph or the like is suitably used (claims 11 and 12).
[0038]
In the above liquid crystal, it is preferable that all liquid crystal molecules are arranged in approximately one direction when no voltage is applied. Since a large refractive index difference can be obtained by making this direction substantially orthogonal to the direction in which liquid crystal molecules are aligned when a voltage is applied (electric field direction), θ2Can be increased, and as a result, the angle φ incident on the light emitting portion1Therefore, it is possible to reliably switch between the state of total reflection and the state of not total reflection, thereby obtaining a high S / N ratio.
[0039]
A spatial light modulator can be configured by arranging the optical path switching elements according to the present invention one-dimensionally or two-dimensionally. Such a spatial light modulator is simple in structure and has few restrictions on members to be used, so that it is highly durable and inexpensive. A spatial light modulator arranged in one dimension can perform two-dimensional spatial light modulation by using a scanning mechanism that scans in a direction perpendicular to the arrangement direction of the optical path switching elements, but a one-dimensional spatial light modulator is a two-dimensional spatial light modulator. Since it is cheaper than the spatial light modulator, the cost is lower. That is, it is possible to provide a spatial light modulator that is simple in structure, high in durability, can reduce member costs, and has high light utilization efficiency.
[0040]
In addition, by providing the spatial light modulator, a light beam incident means, and a means for enlarging and projecting an image formed by the spatial light modulator on the screen, a highly durable and inexpensive image display apparatus can be configured.
[0041]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention, in which 1 is an optically transparent light guide member made of glass, plastic or the like, and the light guide member 1 is from a light source. A light incident part 3 for making the light beam incident on the refractive index variable substance 5, and a light emitting part 4 for emitting the light ray reflected by the reflecting part 6 to the outside of the light guide member 1. In this example, the surface constituting the light incident part 3 and the surface constituting the light emitting part 4 are parallel. The reflecting member 15 including the reflecting portion 6 is formed on a substrate 9 made of Si, glass or the like by forming an inclined surface with an insulator 8 made of ceramic such as glass, plastic, silicon oxide, silicon nitride, or aluminum oxide. Further, a highly reflective metal film 7 made of Al, Ag or the like can be formed by a known method such as vacuum deposition or sputtering. Further, if necessary, patterning may be performed by photolithography etching. This metal film 7 also functions as an electrode. It is desirable to form a driving element or the like for applying a signal voltage to the metal film 7 on the substrate 9.
[0042]
The reflecting member 15 may have a configuration in which the insulator 8 also serves as the substrate 9 or a configuration in which an inclined surface is directly formed using a metal plate as a substrate. As an example of a suitable inclined surface forming method, there is an anisotropic etching method in which dry etching is performed by patterning using a photomask in which a pattern of area gradation or density gradation is formed. As the refractive index variable material 5, liquid crystal can be preferably used. As the liquid crystal material, nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, or the like can be used, and a single or two or more kinds of liquid crystal compounds or a mixture containing substances other than liquid crystal compounds may be used.
[0043]
The light incident part 3 is provided with a transparent electrode 10 made of ITO or the like for applying a voltage to the refractive index variable substance 5. When the refractive index variable substance 5 is made of a fluid material such as liquid crystal, a sealing material 11 made of an epoxy resin or the like is preferably formed and held. If an example of a manufacturing process is shown, after printing the thermosetting epoxy resin in the peripheral part of the light guide member 1 (or the reflection member 15) leaving a part of the opening (injection hole), the reflection member 15 (or The light guide member 1) is bonded and heat cured. After the liquid crystal is injected from the injection hole, the hole is closed with an adhesive to complete.
[0044]
FIG. 1A shows the refractive index n of the refractive index variable material 5.2Is the refractive index n of the light guide member 11If larger, refraction angle θ2Is the incident angle θ according to equation (1)1Smaller. The angle formed between the normal of the surface constituting the reflecting portion 6 and the normal of the surface constituting the light incident portion 3 = the inclination angle α of the surface constituting the reflecting portion is α = θ2If set to / 2, the reflected light enters the light incident portion 3 perpendicularly and exits.
[0045]
FIG. 1 (B) shows n2Is n1Is roughly the same as2Is θ1Therefore, the reflection angle becomes larger than that in FIG. 1A, and the reflected light is approximately φ with respect to the light emitting portion 4.1= Θ1−θ2The external substance 2 that is incident at an angle of and is in contact with the light guide member 1 is air (na= 1) In case of emission angle φ2= Sin-1(N1sinφ1). When the photodetector 13 is installed so that the emitted light in FIG. 1A is incident perpendicularly to the detection surface, the detection (ON state) in the case of FIG. 1A is detected in FIG. 1B. In some cases, it is hardly detected (OFF state), and a good S / N ratio is obtained.
Here, when the wavelength of the incident light changes, the incident angle and the incident position of the incident light to the light guide member 1 are incident so that the position and direction of the emitted light from the light emitting unit 4 are the same regardless of the wavelength. An incident light adjustment mechanism that adjusts according to the wavelength of light is used.
[0046]
The refractive index of the refractive index variable material 5 depends on the wavelength of the incident light, and the refractive index change amount differs depending on the material. Therefore, the refractive index of the light guide member 1 and the refractive index variable material 5 is the same for light of a certain wavelength. It does not always change. Therefore, as shown in FIG. 2, when light of different wavelengths is incident at the same incident angle, the refraction angle changes depending on the wavelength, and as a result, λ1, Λ2, ΛThreeAs shown, the emission direction changes depending on the wavelength. Therefore, the incident light incident on the light guide member 1 according to the wavelength of the incident light so that the reflected light enters the photodetector 13 regardless of the wavelength of the incident light as shown in FIG. The incident position and angle of incidence are changed. Thereby, it is possible to prevent the optical path shift of the emitted light due to the wavelength. Also in the off state, the position and angle of the incident light may be adjusted so that the outgoing light does not cause an optical path shift depending on the wavelength, or the off-state outgoing light that has caused the optical path shift as shown in FIG. If the light does not enter the detector 13, it is not necessary to adjust the position and angle of the incident light in the off state. However, when used as a spatial light modulator or display device as will be described later, both the on-state and off-state are output by a single incident light, so the incident light position and angle are prevented so as to prevent the optical path deviation in the on-state. And the optical path deviation is not adjusted in the off state.
[0047]
The incident light adjusting mechanism for adjusting the position and angle of incident light can be realized by changing the position and angle for each light source when providing a light source for each wavelength. When the wavelength is switched by using a filter or the like with one light source, a reflection element 31 such as a mirror or a prism whose reflection angle and position can be varied between the light source 33 and the optical path switching element 30 as shown in FIG. This can be realized.
[0048]
As a specific example, the light guide member 1 is made of crown glass BK7 (nd = 1.517), and the refractive index variable material 5 is nematic liquid crystal E7 (normal light refractive index no = 1.522, extraordinary light refractive index ne = 1.746), the liquid crystal molecules 12 are aligned in advance in a direction that is horizontal to the light incident portion 3 and perpendicular to the paper surface, as shown in FIG. As the alignment film, a known material such as SiO or polyimide can be used, and it is preferably formed at least on the surface of the transparent electrode 10 and the metal film 7. An angle ψ formed by the incident light capturing unit 16 and the light incident unit 3 is set to 60 °. Laser light having three wavelengths (633 nm, 532 nm, and 488 nm) was used as the light source, and the incident angle and the incident position on the light guide member 1 could be changed.
[0049]
In the state of FIG. 1A, the laser beam (wavelength 633 nm) is converted to S-polarized light and perpendicular to the incident light capturing unit 16, that is, θ1= 60 °, the refractive index of the liquid crystal in the refractive index variable material 5 is n for this light.2= Ne = 1.746, so θ according to equation (1)2= 49 °. When α = 24.5 ° is set, the reflected light is emitted perpendicularly to the light emitting portion 4 and enters the photodetector 13. The laser beam having a wavelength of 532 nm is incident on the incident light capturing unit 16 at an incident angle of 0.5 °, so that the reflected light is emitted vertically from the light emitting unit 4 and enters the photodetector 13. The laser beam having a wavelength of 488 nm is incident on the incident light capturing unit 16 at an incident angle of 1 °, so that the reflected light is emitted vertically from the light emitting unit 4 and enters the photodetector 13.
[0050]
In the case of FIG. 1 (B), the outgoing optical paths of the three laser beams deviate, but the deviation is slight, and φ1Is about 11 ° and the output angle φ2Exits at approximately 17 °.
As described above, it is possible to prevent the optical path shift due to the wavelength and to obtain a high S / N ratio.
In the above description, the incident light is S-polarized light, but may be P-polarized light. In this case, the behavior of light when a voltage is applied and when no voltage is applied is reversed. When P-polarized light is used, the interface reflection loss is reduced, which is more preferable in terms of light utilization efficiency.
[0051]
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Unlike the first embodiment, this embodiment differs from the first embodiment in that the position and angle of incident light are the same as in the case of the 633 nm laser light in the first embodiment, that is, perpendicular to the incident light capturing unit 16. Keep it as A bias signal generator 23 for applying a bias signal according to the wavelength of incident light is provided in addition to the drive signal generator 22 for driving the refractive index variable material 5 according to an external signal. In addition, since the refractive index variable material 5 in the present embodiment is a liquid crystal, the applied signal is a voltage, and the bias signal is hereinafter referred to as a bias voltage. A bias voltage is not applied when the wavelength of incident light is 633 nm, and a bias of 0.5 V is applied when the wavelength is 532 nm. In the case of 488 nm, a bias voltage of 1 V is applied. This can prevent the optical path shift due to the wavelength.
[0052]
(Embodiment 3)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, unlike the first embodiment, the surface constituting the light incident portion 3 and the surface constituting the light emitting portion 4 are not parallel. Other settings are the same as in the first embodiment. An angle β formed by the surface constituting the light emitting portion 4 and the surface constituting the light incident portion 3 is set to β = 40 °. The rest is the same as in the first embodiment.
[0053]
A laser beam having a wavelength of 633 nm is incident on the incident light capturing unit 16 perpendicularly, a laser beam having a wavelength of 532 nm has an incident angle of 0.5 °, and a laser beam having a wavelength of 488 nm has an incident angle of 1 °. The output angle of all is φ2= 47 °, and the optical path can be prevented from being shifted in the ON state as shown in FIG. In FIG. 5A, the emission angle φ2Varies depending on the wavelength of the laser beam, but the difference is small and the light is emitted at about 77 °.
In this case, the difference in emission angle between FIG. 5A and FIG. 5B is 30 °, which is larger than that in the first embodiment, so that even when the emission area is large, leaked light can be detected. It is possible to reduce the decrease in the S / N ratio.
[0054]
(Embodiment 4)
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Although the basic configuration is the same as that of the third embodiment, the angle β formed by the surface constituting the light emitting portion 4 and the surface constituting the light incident portion 3 is increased to β = 45 °. Laser light with a wavelength of 633 nm is incident on the incident light capturing section 16 at an incident angle of 48 °, laser light with 532 nm is incident at an angle of 47.5 °, and laser light at 488 nm is at an incident angle of 46.5 °. Thus, the emission angles of the emitted light in the on state are all φ2 = 58 °, and the optical path can be prevented from being shifted in the on state as shown in FIG. 6B. In the case of FIG. 6A, the incident angle φ of the reflected light with respect to the light emitting portion 41Is different depending on the wavelength, but the difference is small and is about 45 °. At this time, the external substance 2 is air (naIn the case of = 1), the following expression (3) is satisfied, so that the reflected light is totally reflected by the light emitting portion 4.
sinφ1≧ na/ N1  ... (3)
In this case, the difference in emission angle is 180 ° − (45 ° + 58 °) = 77 °, so that almost no leakage light is detected and a high S / N ratio can be obtained.
[0055]
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention. In FIG. 7, 17 is a second light guide member made of the same material as the light guide member 1, and 18 is a second light emitting unit that can emit emitted light to the outside via the second light guide member. is there. In this example, the light emitting part 4 and the second light guide member 17 (both finished with smoothness of the order of the wavelength of the incident light) are brought into close contact with each other, thereby creating a gap (air layer) of the wavelength of the incident light. I have it. Further, the surface constituting the second light emitting portion 18 is made substantially parallel to the surface constituting the light incident portion 3. Further, the angle β formed by the light incident surface and the light emitting surface is β = 34 °, and the inclination angle α of the surface constituting the reflecting portion 6 is α = 30 °. Other settings are the same as in the fourth embodiment.
[0056]
In the case of FIG. 7B, the light emitted from the light emitting section 4 travels substantially straight (actually translates by a wavelength), and enters the second light guide member 17 again, and the second light emitting section. The light exits vertically from 18 without any deviation of the optical path due to wavelength. In the case of FIG. 7A, the light reflected by the reflecting member 15 is totally reflected at the interface between the light emitting part 4 and the air layer in the gap as in the fourth embodiment. In this case, since the difference in emission angle between FIG. 7A and FIG. 7B exceeds 90 °, leakage light is not detected, and a very high S / N ratio can be obtained.
[0057]
(Embodiment 6)
FIG. 8 is a view for explaining a sixth embodiment of the present invention, in which 19 is a flat light guide having a refractive index substantially equal to that of the light guide member 1, and the light guide member 1 is optical. Joined. Other configurations are the same as those in the fourth embodiment, and the operation principle is also the same. Optical bonding is a state in which the gap between the two members is close enough to be smaller than the wavelength of the light used. Specifically, a fluid object is interposed between the two members. Can be obtained. A fluid object may be solidified after ensuring close contact with both members. More specifically, it is preferable to use a low-volatile liquid or a photocurable adhesive having a refractive index substantially equal to that of the light guide member 1 and the flat light guide 19 as a fluid object. In this embodiment, the flat light guide 19 is in contact with the refractive index variable material 5, so the transparent electrode 10 is formed on the flat light guide 19. In this case, since the light guide member 1 may be joined lastly, the main part of the device can be manufactured without using the light guide member 1 having a complicated shape, so that the yield is improved and the cost is reduced. be able to.
[0058]
(Embodiment 7)
FIG. 9 is a diagram for explaining the seventh embodiment of the present invention. In this case, the reflecting portion 6 is constituted by two surfaces (the reflecting surface 24 and the reverse inclined surface 25) sharing one side, and is refracted. Angle (refraction angle) θ formed between incident light that has entered the rate variable material 5 and a normal line of the surface that constitutes the light incident portion 32The maximum value in the operating range of2maxThen, the angle formed by the normal of at least one surface constituting the reflecting portion 6 (in this example, the reverse inclined surface 25) and the normal of the surface forming the light incident portion 3 = the inclination angle γ of the reverse inclined surface. 90 ° -θ2maxIt is as follows. Other configurations are the same as those of the third embodiment. In this case, θ2max= Θ1= 60 °, and when γ is set to 30 ° or less, the incident area A of the incident light in the light incident portion 3 is the same as that in the first embodiment, so that the light guide member 1 is exposed from the bottom of the reflecting surface 24. The distance to the light incident part 3, that is, the maximum layer thickness t of the refractive index variable material 5maxThe driving voltage can be lowered.
[0059]
(Embodiment 8)
FIG. 10 is a diagram for explaining an eighth embodiment of the present invention. In this case, a plurality of sets of reflecting surfaces 24 and reverse inclined surfaces 25 are provided in a region facing the irradiation area A in the embodiment of FIG. In FIG. 10, two sets) are provided. As is clear from FIG. 10, when the irradiation area A is equal to FIG.maxCan be further reduced, and the drive voltage can be further reduced.
[0060]
In the present invention, since the refractive index of the light guide member 1 may be equal to or smaller than the minimum refractive index (no) of the refractive index variable substance (liquid crystal) 5, the most typical optical glass in the above embodiment. An example using BK7 is given. However, the above embodiment is described using a conventional technique using total reflection at the interface between the light guide member and the liquid crystal as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-171814. When the same liquid crystal (E7) and incident angle (60 °) are applied, a light guide member having a refractive index of 1.76 or more must be used, leading to an increase in cost.
[0061]
(Embodiment 9)
FIG. 11 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention. This embodiment has the same configuration as that of the fifth embodiment except that a polymer dispersed liquid crystal is used as the refractive index variable material 5. The polymer dispersed liquid crystal is formed by dispersing liquid crystal droplets 26 in a polymer matrix 27. As the liquid crystal material, nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, cholesteric liquid crystal, or the like can be used, and a single or two or more kinds of liquid crystal compounds or a mixture containing substances other than liquid crystal compounds may be used. The polymer matrix material is preferably a transparent polymer, and may be any of a thermoplastic resin, a thermosetting resin, and a photocurable resin.
[0062]
As a manufacturing method of polymer dispersed liquid crystal,
(1) A polymerization phase separation method in which a solution is made of liquid crystal and heat or photo-curing (polymerization) monomer, oligomer or prepolymer, and phase separation is performed by polymerization.
(2) Solvent evaporation phase separation method in which a solution is made with liquid crystal, polymer and solvent, and phase separation is performed by evaporating the solvent.
(3) A thermal phase separation method in which a liquid crystal and a thermoplastic polymer are dissolved by heating and then phase-separated by cooling.
Can be used.
[0063]
As the polymer, it is preferable to use an ultraviolet curable resin from the viewpoints of the ease of the production process and the separability from the liquid crystal phase. Specific examples include ultraviolet curable acrylic resins, and those containing an acrylic monomer and an acrylic oligomer that are polymerized and cured by ultraviolet irradiation are particularly preferable. Examples of such a monomer or oligomer include (poly) ester acrylate, (poly) urethane acrylate, epoxy acrylate, polybutadiene acrylate, silicone acrylate, melamine acrylate, and (poly) phosphazene methacrylate. As another example, a thiol-ene system can be suitably used because of its high photocuring speed.
[0064]
Photopolymerization initiators may be used for rapid polymerization, and examples include acetophenones such as dichloroacetophenone and trichloroacetophenone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, benzophenone, Michler ketone, benzoyl, benzoin alkyl ether, benzyldimethyl ketal. And monosulfide, thioxanthones, azo compounds, diallyl iodonium salts, triallyl sulfonium salts, bis (trichloromethyl) triazine compounds, and the like.
[0065]
A liquid material in which a liquid crystal material is uniformly dissolved in the ultraviolet curable compound is injected between the reflecting member 15 and the light guide member 1 or the flat light guide 19, and then the ultraviolet curable compound is cured by irradiating with ultraviolet rays. At the same time, the liquid crystal material is phase-separated to form a polymer-dispersed liquid crystal layer.
[0066]
As an example of a specific polymer-dispersed liquid crystal, nematic liquid crystal BL24 (no = 1.513, ne = 1.717, Merck) is dissolved in UV curable prepolymer NOA81 (Norland) (liquid crystal weight concentration 45%). UV (400 mW / cm2) (The average particle diameter of the liquid crystal droplets is about 60 nm), the orientation of the droplets 26 in which the liquid crystal molecules are aligned is random in the case of FIG. The refractive index is approximately the volume of the average refractive index of liquid crystal (≈ (2no + ne) /3≈1.58) and the refractive index of polymer matrix 27 (≈1.56). It can be regarded as an average (≈1.57). In this case, the alignment treatment is not performed in advance. If the light guide member 1 is crown glass BK7 (nd = 1.517) and the incident angle is set to 75 °, the refraction angle is 69 °. Therefore, if α = 34.5 ° is set, the reflected light is incident on the light. The light enters the portion 3 almost perpendicularly. When β = 43 ° is set, the reflected light is φ with respect to the light emitting portion 4.1Incident at 43 °. At this time, since Expression (2) is satisfied, the reflected light is totally reflected by the light emitting unit 4.
[0067]
In FIG. 11B, the liquid crystal molecules are arranged in the electric field direction, and the refractive index of the polymer dispersed liquid crystal layer with respect to S-polarized light is the refractive index of liquid crystal (≈no = 1.513) and the refractive index of the polymer matrix 27 ( ≈1.56) and volume average (≈1.54). At this time, the refraction angle is 72 °, and the reflected light is φ with respect to the light emitting portion 4.1= 40 ° incident and outgoing angle φ2Output at = 77 °.
[0068]
As above2The angle φ incident on the light emitting portion 4 by increasing the amount of change1Since the amount of change of can be increased, the state of total reflection and the state of not total reflection can be switched reliably, and a high S / N ratio can be obtained.
Further, the switching time between the state of FIG. 11A and the state of FIG. 11B is on the order of several tens of μs, and this value is about two orders of magnitude faster than the bulk liquid crystal.
The result of examining the relationship between the liquid crystal droplet size and the response speed in more detail is shown below. The size of the liquid crystal droplets in the polymer-dispersed liquid crystal can be changed by changing the composition of the prepolymer, the mixed concentration of the liquid crystal, the ultraviolet intensity during curing, and the like.
[0069]
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the liquid crystal droplet size and the response speed. E7 and BL24 (Merck) were used as the liquid crystal material, and NOA 60, 65 and 81 (Noland) were used as the prepolymer as appropriate.
FIG. 13 is a diagram showing an example of a response speed measuring device, in which 41 is a laser light source, 42 is a polarizer, 43 and 44 are lenses, 45 is an analyzer, 46 is a power meter, 47 is a sample, and 48 is a sample. An Au electrode, 49 is a polymer dispersed liquid crystal layer, and 50 is a Si substrate. In this measurement, the total of the rise time (Ton) and fall time (Toff) of the light output when a pulse voltage (200 V) was applied to the sample 47 was measured. In the sample 47, the thickness of the polymer dispersed liquid crystal layer 49 was 20 μm, and the optical path length was 1 mm.
[0070]
FIG. 14 is a diagram schematically showing a state in which an electric field is not applied to the polymer-dispersed liquid crystal and a state in which it is applied. When no electric field is applied, the orientation of the liquid crystal droplets 26 is random as shown in FIG. 14A, so that the refractive indexes in the x-axis, y-axis, and z-axis directions are all equal, and the entire layer is It is an optically isotropic medium. When an electric field 28 is applied in the z direction, as shown in FIG. 14B, the molecular axes of the liquid crystal molecules in the liquid crystal droplet 26 are aligned in this direction, so that the refractive index in the z axis direction increases, and the x axis and y The magnitudes of the axial refractive indexes remain small while remaining equal to each other.
[0071]
As shown in FIG. 13, when the light from the laser light source 41 is incident from the x direction perpendicular to the electric field direction, the polarization state can be changed because birefringence occurs in the yz plane. The light output passed through changes. In the present invention, such a birefringence phenomenon is not used, but the response speed of FIG. 12 can be similarly applied to the present invention because the behavior of the liquid crystal molecules at the time of applying an electric field and the accompanying change in the refractive index are used. FIG. 12 shows that the response speed increases as the liquid crystal droplet size decreases.
[0072]
Furthermore, it is preferable from the viewpoint of light transmittance that the particle size of the liquid crystal droplets is 1/5 or less of the wavelength of incident light, more preferably 1/10 or less. The result of calculating the light transmittance from the Rayleigh scattering theory is shown below. When a spherical scatterer with a volume V exists at a number density N, the light transmittance T of a medium with a thickness L is expressed by the following equation (3). T = exp (−NRL), R = 24πThree((M2-1) / (m2+2))2V2/ ΛFour
... (3)
In Equation (3), R is the scattering cross section, m is the ratio of the refractive index of the scatterer to the refractive index of the medium, and λ is the wavelength of the light used. The transmittance T when m = 1.07 and L = 100 μm was calculated using the particle size d, volume fraction (= NV) and wavelength λ of the scatterer, ie, liquid crystal droplets, as parameters. As can be seen from Equation (3), T decreases as d increases (that is, V increases) and λ decreases. The transmittance is preferably 90% (T = 0.9) or more from the viewpoint of light utilization efficiency.
[0073]
FIG. 15 shows that the particle size at which T = 0.9 is 10% (d (0.1)), 30% (d (0.3)) and 50% (d (0.5)). Is a graph plotted with respect to wavelength. If the volume fraction is small, the amount of change in refractive index is small and the S / N ratio cannot be obtained. Therefore, the volume fraction is preferably 10% or more, more preferably about 50%. If the volume fraction is higher than this, the production becomes extremely difficult. From this point of view, as shown in FIG. 15, d is preferably λ / 5 or less and more preferably λ / 10 or less with respect to the wavelength in the visible to infrared region applied as the optical path switching element. In this calculation, m and L are fixed, but it is considered that the actual device has a value smaller than this, so there is no problem as long as the particle size is in the above range.
[0074]
(Embodiment 10)
FIG. 16 is a diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention. This embodiment has the same configuration as that of the seventh embodiment except that all the liquid crystal molecules in the liquid crystal droplet 26 are aligned in approximately one direction when no voltage is applied (in FIG. 16A). Have This arrangement direction is substantially orthogonal to the direction (electric field direction) in which liquid crystal molecules are aligned when a voltage is applied (in FIG. 16B), and is a direction that is horizontal to the light incident portion 3 of the light guide member 1 and perpendicular to the paper surface. It is good to make it. By doing this, a large refractive index difference is obtained, so θ2Can be increased, and a high S / N ratio can be obtained. Specifically, when a polymer-dispersed liquid crystal having the same material and formulation as in the sixth embodiment is used, the refractive index of the polymer-dispersed liquid crystal layer is the refractive index of the liquid crystal (≈ne) as shown in FIG. = 1.717) and the refractive index (≈1.56) of the polymer matrix 27 can be regarded as a volume average (≈1.61). When the incident angle is set to 75 ° as in the sixth embodiment, the refraction angle is 66 °. Therefore, when α = 33 ° is set, the reflected light enters the light incident portion 3 almost perpendicularly. When β = 43 ° is set, the reflected light is φ with respect to the light emitting portion 4.1Incident at 43 °. At this time, since Expression (2) is satisfied, the reflected light is totally reflected by the light emitting unit 4.
[0075]
In the case of FIG. 16B, the liquid crystal molecules are arranged in the electric field direction, and the refractive index of the polymer dispersed liquid crystal layer with respect to S-polarized light is the refractive index of liquid crystal (≈no = 1.513) and the refractive index of the polymer matrix 27 ( ≈1.56) and volume average (≈1.54). At this time, the refractive index is 72 °, and the reflected light is φ with respect to the light emitting portion 4.1= Incident at 37 °, outgoing angle φ2Output at = 66 °.
[0076]
θ2The angle φ incident on the light emitting portion 4 by increasing the amount of change1Since the amount of change of can be increased, the state of total reflection and the state of not total reflection can be switched reliably, and a high S / N ratio can be obtained.
When the incident angle is set to 60 °, the refraction angle θ is as shown in FIG.2Is 55 °. At this time, if α = 27.5 ° and β = 43 ° are set, φ in FIG.1= 39 °, φ2= 73 °. In particular, when applied to a two-dimensional spatial light modulator and an image display apparatus using the same as described later, a smaller incident angle (preferably 60 ° or less) is desirable because the design of the illumination optical system becomes easier. .
[0077]
As a method for aligning liquid crystal molecules in one direction in advance, it is also possible to use the following method in addition to the method using the alignment film as described above. The liquid crystal can be aligned in one direction by applying an electric field when polymerizing the polymer matrix material. At this time, the prepolymer in contact with the liquid crystal is dragged by the alignment of the liquid crystal and is aligned in the same direction. When the prepolymer is polymerized in this state, the interface with the liquid crystal is fixed in a form following the alignment of the liquid crystal. Since this interface structure functions as an alignment film for the liquid crystal, even if the electric field is released after the polymer matrix material is cured, the liquid crystal is aligned in the direction of the electric field applied during polymerization.
[0078]
(Embodiment 11)
FIG. 17 is a diagram for explaining an eleventh embodiment of the present invention, in which 60 is a one-dimensional spatial light modulator, and FIG. 17A is a schematic perspective view of the one-dimensional spatial light modulator 60. FIG. 17B is a schematic configuration diagram when FIG. 17A is viewed from the B direction, and FIG. 17C is a schematic configuration diagram when FIG. 17A is viewed from the C direction. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the seventh embodiment, but the metal films 7 also serving as individual electrodes are arranged in a one-dimensional array. The substrate 9 is preferably provided with driving elements connected to the individual electrodes and selectively supplying signals to them. By selectively applying a voltage signal to each individual electrode arranged in an array, only the reflected light from the selected individual electrode (metal film 7) is emitted from the light emitting unit 4, and the line-shaped light is turned on. / OFF (spatial light modulation) is possible. Two-dimensional spatial light modulation can be performed by combining with a scanning device that scans in a direction perpendicular to the direction in which the individual electrodes are arranged.
[0079]
In addition, as shown in FIG. 18, driving signal supply to the individual electrodes (metal film 7) of the one-dimensional spatial light modulator 60 and driving of the scanning mechanism 63 including a galvano mirror are controlled based on the image signal. By projecting the two-dimensional spatial light modulated light beam onto the screen 65 by the projection lens 64, an image display device can be formed. In FIG. 18, a laser, LED, lamp, or the like can be used as the light source 61. Further, the collimator lens 62 may be an optical integrator, and a polarization conversion optical system (not shown) may be provided at the subsequent stage.
[0080]
(Embodiment 12)
FIG. 19 is a diagram for explaining a twelfth embodiment of the present invention, and FIG. 19 is a schematic perspective view of a two-dimensional spatial light modulator 70. The basic configuration of this embodiment is the same as that of FIG. 17, but the metal films 7 also serving as individual electrodes are arranged in a two-dimensional array. The reflecting member 15 is preferably provided with a driving element that is connected to each individual electrode and selectively supplies signals thereto. By selectively applying a voltage signal to the individual electrodes arranged in an array, only the reflected light from the selected individual electrode (metal film 7) is emitted from the light emitting unit 4, and the planar light is turned on. / OFF (spatial light modulation) is possible. In this case, since the two-dimensional spatial light modulation can be performed only by the spatial light modulator, the scanning mechanism 63 as shown in FIG. 18 is unnecessary, and the projection lens 64 is installed outside the light emitting unit 4 and the screen 65 is provided. By projecting, an image display device can be formed.
[0081]
In the example shown in FIGS. 17 and 19, the light guide member 1 is shared and formed as one, but the light guide member 1 may be divided for each optical path switching element. In addition, in the image display device using the one-dimensional array-shaped spatial light modulator or the two-dimensional array-shaped spatial light modulator, incident light of a plurality of wavelengths such as red, green, and blue is used, and each color is divided in a time division manner. A full color image can also be displayed by displaying an image (field sequential method) or by providing a plurality of spatial light modulators and simultaneously projecting images of each color.
[0082]
Example 1
FIG. 20 is a diagram for explaining an example of the manufacturing process of the two-dimensional spatial light modulator. The two-dimensional spatial light modulator was manufactured as follows.
(1) Production of reflecting member (FIG. 20A)
A plurality of MOSFET drive elements 51 were formed on the surface of the Si substrate 9, and an oxide film (insulator 8) of 5 μm thick silicon oxide was deposited thereon by CVD. Next, the inclined surface and the contact hole 52 were formed by performing patterning and dry etching using a photomask in which an area gradation pattern was formed. After filling the hole by metal CVD, aluminum was deposited to a thickness of 0.1 μm by sputtering and patterned to be a reflective film and individual electrode (metal film 7). A polyimide film having a thickness of 0.1 μm was formed thereon by spin coating, and an alignment film 53 was formed by rubbing.
[0083]
(2) Production of cell (FIG. 20B)
A transparent light guide 10 made of ITO having a thickness of 50 nm and an alignment film 54 made of polyimide are formed on one surface of a flat light guide 19 made of crown glass (BK7), and the reflecting member shown in FIG. An empty cell was produced by bonding using a sealing material 11 made of resin. An injection hole was provided in a part of the sealing material.
[0084]
(3) Injection of liquid crystal (FIG. 20C)
After evacuating the empty cell shown in FIG. 20 (C), the refractive index variable material 5 made of liquid crystal (E7) was injected to seal the injection hole.
[0085]
(4) Joining of light guide members (FIG. 20D)
The light guide member 1 and the second light guide member 17 were joined to the upper surface of the flat light guide 19 using a photocurable adhesive.
Using the spatial light modulator manufactured as described above, image display was performed as follows.
Laser light (wavelengths of 633 nm, 532 nm, and 488 nm) shaped so that the cross section is substantially rectangular was incident as S-polarized light from the light incident portion 3. The incident angles of the respective lasers with respect to the incident light capturing unit 16 were 0 °, 0.5 °, and 1 °, respectively. When a voltage (5 V) is selectively applied to the individual electrode (metal film 7) according to the image data by the driving element 51, the spatially modulated output light is extracted from the second light emitting unit 18 (not shown) ) An enlarged projection image (binary) having no color shift at each wavelength could be obtained on the screen by the projection lens.
[0086]
(Example 2)
FIG. 21 is a diagram for explaining another example of the manufacturing process of the two-dimensional spatial light modulator. The two-dimensional spatial modulator was manufactured as follows.
(1) Production of reflecting member (FIG. 21A)
A plurality of MOSFET drive elements 51 were formed on the surface of the Si substrate 9, and an oxide film (insulator 8) of 5 μm thick silicon oxide was deposited thereon by CVD. Next, the inclined surface and the contact hole 52 were formed by performing patterning and dry etching using a photomask in which an area gradation pattern was formed. After filling the hole by metal CVD, aluminum was deposited to a thickness of 0.1 μm by sputtering and patterned to be a reflective film and individual electrode (metal film 7). A polyimide film having a thickness of 0.1 μm was formed thereon by spin coating, and an alignment film 53 was formed by rubbing.
[0087]
(2) Cell fabrication (FIG. 21B)
A transparent light source 10 made of ITO having a thickness of 50 nm and an alignment film 54 made of polyimide are formed on one surface of a flat light guide 19 made of crown glass (BK7), and the reflecting member shown in FIG. An empty cell was produced by bonding using a sealing material 11 made of resin. An injection hole was provided in a part of the sealing material.
[0088]
(3) Injection (FIG. 21C)
After evacuating the empty cell shown in FIG. 21B, a mixture (liquid crystal concentration 45 wt%) 55 of liquid crystal (BL24) and an ultraviolet curable compound (NOA81) was injected to seal the injection hole.
(4) Curing (FIG. 21D)
UV light (400mW / cm by high pressure mercury lamp2) 56 was irradiated to form a refractive index variable substance 5 made of polymer dispersed liquid crystal.
[0089]
(5) Joining of light guide members (FIG. 21E)
The light guide member 1 and the second light guide member 17 were joined to the upper surface of the flat light guide 19 using a photocurable adhesive.
Using the spatial light modulator manufactured as described above, image display was performed as follows.
Laser light (wavelengths of 633 nm, 532 nm, and 488 nm) shaped so that the cross section is substantially rectangular was incident as S-polarized light from the light incident portion 3. The incident angles of the respective lasers with respect to the incident light capturing unit 16 were 0 °, 0.5 °, and 1 °, respectively. When a voltage (5 V) is selectively applied to the individual electrode (metal film 7) according to the image data by the driving element 51, the spatially modulated output light is extracted from the second light emitting unit 18 (not shown) ) An enlarged projection image (64 tone) having no color shift at each wavelength could be obtained on the screen by the projection lens.
[0090]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the optical path switching element of the present invention, the light incident part through the light guide member, the reflection part that reflects the incident light entering from the light incident part, and the reflection part is reflected. A light emitting part that emits the emitted light as outgoing light through the light guide member, encapsulating a refractive index variable substance in an optical path including the reflecting part, and depending on the information on the refractive index variable substance A signal input means for providing a signal and causing a change in refractive index, and a change in the refractive index of the refractive index variable material due to the signal, the incident light is totally reflected at the interface between the light guide member and the refractive index variable material. By providing a means for controlling the direction of the outgoing light according to the wavelength of the incident light in the optical path switching element that is not in the range, the structure is simple and durable, the member cost can be reduced, the light utilization efficiency is high, the incident light Depending on the wavelength of light It is possible to provide a high optical path switching element without S / N ratio.
[0091]
In addition, the means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light is an incident light adjusting mechanism that adjusts the incident angle and the incident position of the incident light to the light guide member according to the wavelength of the incident light. It is possible to provide an optical path switching element that can prevent an optical path shift without requiring a complicated control mechanism.
[0092]
In addition, since the means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light is a bias applying mechanism for applying a bias voltage to the refractive index variable substance according to the wavelength of the incident light, a complicated control mechanism is required. Therefore, it is possible to provide an optical path switching element that can prevent an optical path shift without being caused.
[0093]
In addition, the refractive index change of the refractive index variable substance due to the signal is not totally reflected in the first state where the light reflected by the reflecting part is totally reflected at the interface between the light guide member and the external substance in contact with the light emitting part. By performing in the range which can take a 2nd state, the optical path switching element which can raise S / N ratio more can be provided. Further, by configuring the light incident part and the light emitting part with surfaces that are not parallel to each other, it is possible to provide an optical path switching element that can further increase the S / N ratio. In addition, by providing a second light emitting portion that can emit the emitted light to the outside through the second light guide member, an optical path switching element having a high S / N ratio can be provided.
[0094]
In addition to the above, an optical path switching element that is easy to manufacture can be provided by optically joining the light guide member and providing a flat light guide having substantially the same refractive index as the light guide member. Further, the reflection part is configured by two surfaces sharing one side, and the maximum value in the operating range of the angle formed by the incident light that has entered the refractive index variable material and the normal of the surface that constitutes the light incident part is θ2maxThe angle between the normal of at least one surface constituting the reflecting portion and the normal of the surface constituting the light incident portion is 90 ° −θ.2maxBy making it below, the optical path switching element which can make drive energy small can be provided. In addition, it is possible to provide an optical path switching element capable of further reducing driving energy by configuring the reflecting section to have a plurality of sets of surfaces for the unit element that applies a signal to the refractive index variable substance.
[0095]
In addition, by using a liquid crystal as the refractive index variable substance, it is possible to provide an optical path switching element that is easier to manufacture and that can increase the S / N ratio. In addition to the above, by providing a liquid crystal / polymer composite (polymer dispersed liquid crystal) in which the refractive index variable substance is a liquid crystal material dispersed and held in a polymer matrix, an optical path switching element having a high response speed is provided. Can do. In addition to the above, an optical path switching element with a small optical loss is provided by configuring the refractive index variable material with a polymer dispersed liquid crystal and making the liquid crystal a droplet having a particle size of 1/5 or less of the wavelength of incident light. can do.
[0096]
In addition to the above, the S / N ratio can be further increased by configuring the refractive index variable substance with polymer dispersed liquid crystal so that all liquid crystal molecules are arranged in approximately one direction when no voltage is applied. An optical path switching element can be provided.
[0097]
Furthermore, by arranging the optical path switching elements of the present invention in a one-dimensional or two-dimensional array, a spatial light modulator having a simple structure, high durability, reduced member cost, and high light utilization efficiency is provided. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an example in which the emission direction of light of different wavelengths changes.
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of an incident light adjusting mechanism.
FIG. 4 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between a liquid crystal droplet size and a response speed.
FIG. 13 is a diagram showing an example of a response speed measuring device.
FIG. 14 is a diagram schematically showing a state where an electric field is not applied to a polymer-dispersed liquid crystal and a state where it is applied.
FIG. 15 is a graph in which the particle diameter at which T = 0.9 is plotted with respect to wavelength when the volume fraction is 10%, 30%, and 50%.
FIG. 16 is a diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram for explaining an eleventh embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a schematic diagram illustrating a configuration example of an image display device of the present invention.
FIG. 19 is a diagram for explaining a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a two-dimensional spatial light modulator.
FIG. 21 is a diagram for explaining another example of the manufacturing process of the two-dimensional spatial light modulator.
FIG. 22 is a plan view of a spatial light modulator described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-196880.
23 is a cross-sectional view of one rotating mirror of the spatial light modulator shown in FIG.
FIG. 24 is an explanatory diagram of the operation of the optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-202222.
FIG. 25 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-171813.
FIG. 26 is a diagram showing an example of an optical path switching element described in Japanese Patent Application No. 2001-187577.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light guide member, 2 ... External substance, 3 ... Light incident part, 4 ... Light emitting part, 5 ... Refractive index variable substance, 6 ... Reflection part, 7 ... Metal film, 8 ... Insulator, 9 ... Substrate, 10 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Transparent electrode, 11 ... Sealing material, 12 ... Liquid crystal molecule, 13 ... Photodetector, 15 ... Reflecting member, 16 ... Incident light taking-in part, 17 ... Second light guide member, 18 ... Second light emitting part , 19 ... Flat light guide, 22 ... Drive signal generator, 23 ... Bias signal generator, 24 ... Reflecting surface, 25 ... Reversely inclined surface, 26 ... Liquid crystal droplet, 27 ... Polymer matrix, 28 ... Electric field, 30 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Optical path switching element, 31 ... Reflective element, 33 ... Light source, 41 ... Laser light source, 42 ... Polarizer, 43, 44 ... Lens, 45 ... Analyzer, 46 ... Power meter, 47 ... Sample, 48 ... Au electrode, 49 ... polymer dispersed liquid crystal layer, 50 ... Si substrate, 51 ... drive element, 52 ... contact photo 53, 54 ... alignment film, 55 ... mixture, 56 ... UV light, 60 ... one-dimensional spatial light modulator, 61 ... light source, 62 ... collimating lens, 63 ... scanning mechanism, 64 ... projection lens, 65 ... screen, 70 ... Two-dimensional spatial light modulator, 71 ... Square torsion beam reflecting surface, 72 ... Beam support post, 73 ... Hinge, 74 ... Ground electrode, 75 ... Post, 76 ... Post, 77 ... Address electrode, 78 ... Metal layer, 79 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Board | substrate layer, 81 ... Light guide member, 82 ... Total reflection surface, 91 ... Prism, 91a ... Reflection surface of prism, 92 ... Extraction surface, 100 ... Drive part, 101 ... Light beam, 102 ... Total reflection light, 103 ... Light beam 110 ... light guide, 111 ... transparent electrode, 112 ... incident light (linearly polarized light), 113 ... total reflected light, 114 ... reflected light, 120 ... liquid crystal, 121 ... reflective film, 130 ... IC substrate for driving liquid crystal, 1 1 ... electrode terminal.

Claims (13)

導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、
該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、
前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、
前記反射部を含む光路中に前記屈折率可変物質を封入し、
該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、
前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行い、且つ、前記入射光の波長によって前記出射光の光路がずれないように、前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を設け
前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段は、入射光の前記導光部材への入射角および入射位置を該入射光の波長に応じて調節する入射光調整機構であることを特徴とする光路切替素子。
A light incident part for allowing light incident through the light guide member to enter the refractive index variable material;
A reflecting portion for reflecting incident light that has entered the refractive index variable material from the light incident portion;
It consists of a light emitting part that emits to the outside as emitted light through the light guide member,
Encapsulating the refractive index variable substance in an optical path including the reflective portion;
In the optical path switching element comprising signal input means for giving a signal to the refractive index variable substance according to information and causing a refractive index change,
The refractive index change of the refractive index variable substance due to the signal is performed in a range where the incident light is not totally reflected at the interface between the light guide member and the refractive index variable substance, and the emitted light depends on the wavelength of the incident light. of so that the optical path is not shifted, a means for controlling the emitted light direction depending on the wavelength of the incident light,
The means for controlling the outgoing light direction according to the wavelength of the incident light is an incident light adjusting mechanism for adjusting the incident angle and the incident position of the incident light to the light guide member according to the wavelength of the incident light. A characteristic optical path switching element.
導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、
該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、
前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、
前記反射部を含む光路中に前記屈折率可変物質を封入し、
該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、
前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行い、且つ、前記入射光の波長によって前記出射光の光路がずれないように、前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段を設け、
前記入射光の波長に応じて出射光方向を制御する手段は、入射光の波長に応じて前記屈折率可変物質にバイアス信号を印加するバイアス印加機構であることを特徴とする光路切替素子。
A light incident part for allowing light incident through the light guide member to enter the refractive index variable material;
A reflecting portion for reflecting incident light that has entered the refractive index variable material from the light incident portion;
It consists of a light emitting part that emits to the outside as emitted light through the light guide member,
Encapsulating the refractive index variable substance in an optical path including the reflective portion;
In the optical path switching element comprising signal input means for giving a signal to the refractive index variable substance according to information and causing a refractive index change,
The refractive index change of the refractive index variable substance due to the signal is performed in a range where the incident light is not totally reflected at the interface between the light guide member and the refractive index variable substance, and the emitted light depends on the wavelength of the incident light. Means for controlling the direction of the emitted light according to the wavelength of the incident light, so that the optical path of
Said means for controlling the emitted light direction depending on the wavelength of incident light, you being a biasing mechanism for applying a bias signal to the variable refractive index material according to the wavelength of the incident light optical path switching element .
前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記光出射部において前記導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことを特徴とする請求項1または2に記載の光路切替素子。A first state in which the light reflected by the reflecting part is totally reflected at the interface between the light guide member and an external substance in contact with the light emitting part in the refractive index change of the refractive index variable substance due to the signal; 3. The optical path switching element according to claim 1, wherein the optical path switching element is performed within a range where the second state in which total reflection is not achieved can be taken. 前記光入射部と前記光出射部とが互いに平行でない面で構成されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の光路切替素子。Optical path switching element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said light incident portion and the light emitting portion is constituted by a surface not parallel to each other. 前記出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けたことを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の光路切替素子。Optical path switching element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a second light emitting portion that can be issued to the outside the light emitted through the second light guide member. 前記光入射部に光学的接合し、前記導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたことを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の光路切替素子。Optically bonded to the light incident portion, the light path switching device according to any one of claims 1 to 5 wherein the light guide member and the refractive index is characterized in that a approximately equal photoconductive member. 前記反射部が一辺を共有する2つの面によって構成され、前記屈折率可変物質に進入した入射光と前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度の動作範囲における最大値をθ2maxとすると、前記反射部を構成する少なくとも1つの面の法線と前記光入射部を構成する面の法線とのなす角度が90°−θ2max以下であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の光路切替素子。The reflection part is constituted by two surfaces sharing one side, and the maximum value in the operating range of the angle formed by the incident light that has entered the refractive index variable material and the normal of the surface that constitutes the light incident part is θ 2max Then, an angle formed by a normal line of at least one surface constituting the reflection portion and a normal line of the surface constituting the light incident portion is 90 ° −θ 2max or less. optical path switching element according to any one of 6. 前記反射部は、前記屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の光路切替素子。The optical path switching according to any one of claims 1 to 7 , wherein the reflection unit has a plurality of sets of surfaces with respect to a unit element that applies a signal to the refractive index variable substance. element. 前記屈折率可変物質が液晶からなることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の光路切替素子。Optical path switching device according to any one of claims 1 to 8 wherein the variable refractive index material is characterized by comprising the liquid crystal. 前記屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶/高分子複合体からなることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の光路切替素子。Optical path switching device according to any one of claims 1 to 8 wherein the variable refractive index material is characterized by comprising a liquid crystal material from the liquid crystal / polymer composite dispersed held in a polymer matrix. 前記液晶材料が入射光の波長の1/5以下の粒径を有するドロップレットであることを特徴とする請求項10に記載の光路切替素子。The optical path switching element according to claim 10 , wherein the liquid crystal material is a droplet having a particle size equal to or less than 1/5 of a wavelength of incident light. 電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか一項に記載の光路切替素子。The optical path switching element according to any one of claims 9 to 11 , wherein all liquid crystal molecules are arranged in approximately one direction when no voltage is applied. 請求項1乃至12のいずれか一項に記載の光路切替素子が一次元アレイ状または二次元アレイ状に配列されていることを特徴とする空間光変調器。Spatial light modulator, wherein the optical path switching elements are arranged in a one-dimensional array or two-dimensional array according to any one of claims 1 to 12.
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