JP4950396B2

JP4950396B2 - Optical path switching element, spatial light modulator, and image display device

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Publication number: JP4950396B2
Application number: JP2001258963A
Authority: JP
Inventors: 英紀友野; 均近藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: JP2003066440A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路切替素子、空間光変調器、及び画像表示装置に関する。
【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及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１９は、従来（特開平５−１９６８８０号公報に記載）の空間光変調器の平面図であり、平面上では、図１９に示すように、方形トーションビーム反射表面１１とビーム支持ポスト１２のみが観察される。図２０は、図１９に示した空間光変調器のひとつの回転鏡の断面図で、図２０（Ａ）はヒンジに沿っての断面図、図２０（Ｂ）はそれと直角方向の断面図である。ビーム支持ポスト１２は、ポスト１５に連結されたヒンジ１３の捻れによって、ビーム１１を接地電極１４に向けて回転可能にする。その駆動力はポスト１６によって支持されたアドレス電極１７に印加される電圧で与えられる。アドレス電極１７への電圧印加は、基板層１９に設けられたＣＭＯＳ回路（図示せず）の信号を金属層１８を介して伝達することにより行われる。ビーム１１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。
【０００４】
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。
【０００５】
その他の光スイッチング素子（光路切替素子）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２１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２２を備えた導光部材２１と、全反射面２２に対し抽出面３２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３１と、このプリズム３１を導光部材２１に接近させ又は離すように駆動する駆動部４０とを、光の出射方向に対してこの順番で積層した構成となっている。図２１の右側のセルは、駆動部４０を動作させることによってプリズム３１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２１中を伝搬してきた光線１は、図２１に示されるように、全反射面２２で全反射され図の右方向へと出射２していく。駆動部４０を動作させない時には、図２１の左側のセルのように、プリズム３１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２１中を伝搬してきた光線１は、図２１左側のセルに示されるように、全反射面２２で反射することなくプリズム３１に進入する。プリズム３１に進入した光線はプリズムの反射面３１ａで反射して、図２１に示した光線３のように導光部材２１を透過して出射される。
【０００６】
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２１に示したようなプリズム３１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３１を導光部材２１，全反射面２２に近接させるとファンデルワールス力、或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。
【０００７】
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２２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５０に接触させた液晶６０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）１が全反射光２として出射される状態と、透過光となったのち反射膜６１によって向きを変えられて反射光３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２２において、５１は透明電極、７０は液晶駆動用ＩＣ基板、７１は電極端子である。
【０００８】
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、或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、或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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、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、さらには迷光を防止し、Ｓ／Ｎ比を大きくした光路切替素子を提供することをその目的とする。また、本発明は、この光路切替素子を用いた空間光変調器、及びその空間光変調器を用いた画像表示装置を提供することを他の目的とする。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、迷光を防止してＳ／Ｎ比の高い光路切替素子を提供すること（請求項１）、（２）光学系の設計や光軸調整の容易な光路切替素子を提供すること（請求項２）をその目的とする。
【００１０】
（３）さらに、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３）、（４）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４）、（５）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５）、（６）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６）をその目的とする。
【００１１】
（７）さらに、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７）、（８）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８）、（９）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９）をその目的とする。
【００１２】
（１０）さらには、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１０）、（１１）よりＳ／Ｎ比を高くできる空間光変調器を提供すること（請求項１１）をその目的とする。
【００１３】
（１２）さらには、耐久性が高く、低コストで光利用効率が高く、Ｓ／Ｎ比の高い画像表示装置を提供すること（請求項１２）、（１３）よりＳ／Ｎ比を高くできる画像表示装置を提供すること（請求項１３）をその目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、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取り出す光出射部とよりなる光路切替素子で、前記光入射部と反射部との間の光路中に屈折率可変物質を封入し、該屈折率可変物質に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、前記反射部で反射した光が前記導光部材と該導光部材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とることができる範囲で行う光路切替素子において、前記導光部材と空気との界面に前記全反射する第一の状態で全反射した光を吸収する光吸収膜を設け、さらに前記導光部材の一部分に前記光入射部での正反射光を吸収する光吸収膜を設けることを特徴としたものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１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。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または２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。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１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θ_2max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°−θ_2max以下であることを特徴としたものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１の発明において、前記反射部が、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。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記屈折率可変物質が液晶材料からなることを特徴としたものである。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１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。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記屈折率可変物質の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。
【００２３】
請求項９の発明は、請求項６乃至８のいずれか１の発明において、電圧無印加時に前記液晶材料全ての液晶分子が概略一方向に配列することを特徴としたものである。
【００２４】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９のいずれか１記載の光路切替素子が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。
【００２５】
請求項１１の発明は、請求項１乃至９のいずれか１記載の光路切替素子が一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】
請求項１２の発明は、請求項１０記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影して表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００２７】
請求項１３の発明は、請求項１１記載の空間光変調器と、該空間光変調器に光線を入射させる手段と、該空間光変調器から出射した光線を該空間光変調器の光路切替素子の整列方向に対して垂直な方向に走査する走査機構と、該走査機構から出射した光線をスクリーンに投影して表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本出願人は、特願２００１−１８７５７７号明細書において、構造が簡単で、耐久性が高く、部材コストを低減でき、光利用効率が高い光路素子（光路切替素子）、それを用いた空間光変調器、及びその空間光変調器を用いた画像表示装置を提案した。
【００２９】
図１は、前記特願２００１−１８７５７７号明細書で提案されている光路切替素子の概略構成を示す図である。この光路切替素子は、導光部材１０１を介した光入射部１０３と、光入射部１０３から入った入射光を反射する光反射部１１５との間に屈折率可変物質１０５を封入し、信号印加によって屈折率可変物質の屈折率を変化させて、光出射部１０４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。
【００３０】
この方式においては、図１（Ａ）のときに全反射した光が全反射光出射部１９０から出射するときに導光部材１０１と外部物質１０２との界面で反射し、導光部材１０１の内部で迷光となる。また、光入射部に入射した光は屈折率可変物質内へ１００％透過することはなく、導光部材１０１の屈折率と透明電極１１０の屈折率及び入射角θ₁で決まる割合で正反射して、導光部材１０１内部で迷光となる。これらの迷光は光スイッチングにおけるコントラスト、すなわちＳ／Ｎ比を低下させるという問題がある。
【００３１】
（本発明の構成・動作）
上記迷光を防止し、光スイッチングのＳ／Ｎ比を大きくすることを目的とし、本発明においては、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取り出す光出射部とよりなる光路切替素子で、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、前記反射部で反射した光が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とることができる範囲で行う光路切替素子において、前記全反射する第一の状態で全反射した光を吸収する光吸収膜を設けることを特徴とする光路切替素子を提案する。
【００３２】
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）
【００３３】
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。このとき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。そして全反射光を光吸収膜によって吸収することで迷光になることを防止する。これにより迷光の影響のないＳ／Ｎ比の高いデバイス及びシステムを実現することができる。この光路切替素子は、光通信，光演算，光プリンタ，画像表示装置等、様々なものに使用される。
【００３４】
また、光入射部に入射した光はそのほとんどが屈折率可変物質へ入射するが、一部は光入射部で正反射して、導光部材内部で迷光となる。この正反射光を吸収する光吸収膜を設けることでさらにＳ／Ｎ比を高くすることができる（請求項１）。すなわち、さらにＳ／Ｎ比の高い光路切替素子を提供することができる。
【００３５】
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。この時第二の導光部材の形状によって出射方向を制御できるため、光路切替素子よりも下流側の光学系の設計や、光軸合わせを容易にすることができる（請求項２）。すなわち、光学系の設計や光路調整の容易な光路切替素子を提供できる。
【００３６】
さらに上記において、光入射部に光学的接合し、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３）。すなわち、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。
【００３７】
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θ_2max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°−θ_2max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４）。すなわち、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。
【００３８】
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５）。すなわち、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。
【００３９】
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及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（或いは平板導光体）及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６）。すなわち、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。
【００４０】
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７、請求項８）。すなわち、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。さらに、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。
【００４１】
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るので、高いＳ／Ｎ比を得ることができる（請求項９）。すなわち、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。
【００４２】
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（請求項１０、請求項１１）。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。さらに、上記に加え、製造歩留まりが高く低コストな空間光変調器を提供することができる。
【００４３】
上記の空間光変調器と、光線入射手段及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（請求項１２、請求項１３）。すなわち、耐久性が高く、低コストで光利用効率の高い画像表示装置を提供することができる。
【００４４】
（実施の形態１）
図２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、１０１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ある。導光部材１０１は光源からの光線を屈折率可変物質１０５に入射させる光入射部１０３、反射部１１５で反射した光線を導光部材１０１の外部へと出射させる光出射部１０４を有している。反射部１１５を含む反射部材１０６は、Ｓｉ，ガラス等からなる基板１０９上に、ガラス、プラスチック又は酸化シリコン、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１０８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１０７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１０７は電極としても作用する。基板１０９には金属膜１０７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。
【００４５】
反射部材１０６としては、絶縁体１０８が基板１０９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１０５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。
【００４６】
光入射部１０３には屈折率可変物質１０５に電圧を印加するためのＩＴＯ等からなる透明電極１１０が設けられている。屈折率可変物質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剤１１１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（もしくは反射部材）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（もしくは導光部材）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。
【００４７】
図２（Ａ）は、屈折率可変物質１０５の屈折率ｎ₂が導光部材１０１の屈折率ｎ₁より大きい場合を示す図で、この場合、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１１５を構成する面の法線と光入射部１０３を構成する面の法線とのなす角度（ここでは、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１０３に垂直に入射し出射する。光出射部１０４を構成する面が光入射部１０３を構成する面となす角をβとすると、反射光が光出射部１０４に入射する角度φ₁はφ₁＝βとなる。外部物質１０２は一般的に空気（屈折率ｎ_a＝１）であるので、βが式（２）を満足している時に、反射光は光出射部１０４において全反射する。
ｓｉｎβ≧ｎ_a／ｎ₁…（２）
【００４８】
光出射部１０４で全反射した光が再び導光部材１０１と外部物質１０２との界面に入射する部分に、全反射光を吸収する全反射光吸収膜２００が設けられている。全反射光吸収膜２００は全反射光を効果的に吸収できるような光吸収特性を有していることが望ましい。具体的にはカーボンブラックや酸化鉄、酸化クロムなどの無機顔料、また、ダイレクトブラックやアシッドブラックなどの染料を挙げることができる。また異なる吸収波長域をもつ複数の染料や顔料を混合することによって広範囲の波長域で吸収をもつようにしてもよい。さらに入射光波長域が赤、或いは緑、或いは青といった単色光の場合には特定の波長域だけを吸収できればよいので、必要な波長域に吸収をもつ染料や顔料を用いればよい。全反射光吸収膜の形成方法は溶剤や分散媒に溶解もしくは分散させて塗布、乾燥を行う方法、蒸着やスパッタによる方法など、既存の形成方法を用いることができる。この全反射光吸収膜２００によって全反射光は効果的に吸収されるため、迷光となることがなく、したがってＳ／Ｎ比が低下することを防止している。
【００４９】
具体的な例として、導光部材１０１をクラウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）で作製し、屈折率可変物質１０５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１１２を、図２（Ａ）に示すように、光入射部１０３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１１０及び金属膜１０７の表面に形成するのが好ましい。
【００５０】
図２（Ａ）の状態でレーザ光（波長６３３ｎｍ）をＳ偏光としてθ₁＝６０°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率は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入射部１０３に対して垂直に出射するため、光入射部１０３での屈折は起こらない。光出射部１０４を構成する面は光入射部１０３を構成する面に対してβ＝４５°となるようにしている。したがって図２（Ａ）の時には反射光は光出射部１０４に対してφ₁＝４５°で入射する。このとき外部物質１０２が空気（ｎ_a＝１）の場合には式（２）を満たすので、反射光は光出射部１０４において全反射して、全反射光吸収膜２００によって吸収される。
【００５１】
図２（Ｂ）の時にはφ₁＝３４°で入射し、出射角φ₂＝５８°で出射する。図２（Ｂ）の状態において導光部材１０１の外部へ出射する光の進行方向に対峙する位置に、光検出器１１３を設けることにより、良好なＳ／Ｎ比をもって光出力を検出することができる。
以上のように一方の光を吸収して迷光となることを防止するため、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。具体的には上記構成で全反射光吸収膜２００を設けない場合、Ｓ／Ｎ比は２００程度であったが、全反射光吸収膜２００を設けることでＳ／Ｎ比は４０００程度まで向上した。
【００５２】
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。
【００５３】
（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子には、入射光が光入射部１０３で正反射した正反射光を吸収する正反射光吸収膜２０２を設けている。その他の設定は第１の実施形態と同様である。
図３（Ａ）のとき、光入射部に入射した光は、そのほとんどが屈折率可変物質１０５へ入射するが、一部は光入射部１０３で正反射する。正反射光２０１は正反射光吸収膜２０２によって吸収されることで、迷光となることが防止される。これによってＳ／Ｎ比をさらに高くすることができる。具体的には全反射光吸収膜２００を設けて正反射光吸収膜２０２を設けない場合、Ｓ／Ｎ比は４０００程度であったが、正反射光吸収膜２０２も設けることでＳ／Ｎ比は１００００程度まで向上した。正反射光吸収膜２０２の材質や形成方法は全反射光吸収膜２００と同様である。
【００５４】
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態を説明するための図で、図中、１１４は導光部材１０１と同じ材質からなる第二の導光部材で、１１６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１０４と第二の導光部材１１４（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１１６を構成する面は光入射部１０３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１１５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１の実施形態と同様である。
【００５５】
図４（Ａ）の時、反射部１１５で反射した光は光出射部１０４に対してφ₁＝４７°で入射して、光出射部１０４と空隙部の空気層との界面で全反射し、全反射光吸収膜２００によって吸収される。図４（Ｂ）の時には、光出射部１０４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１１４に入射し、第二の光出射部１１６から垂直に出射する。この場合、光路切替素子に対して垂直に光が出射するので、出射後の光学系の設計や光軸調節が容易になる。また、この光路切替素子を使って空間光変調器や画像表示装置を形成する場合、出射光の光路が空間光変調器に対して垂直になるため斜入射光学系など特殊な光学系を使わなくても出射光の集光、拡大、投影を行うことができる。
【００５６】
（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態を説明するための図で、図中、１１７は導光部材１０１と屈折率が概略等しい平板導光体である。平板導光体１１７は、導光部材１０１と光学的接合がなされている。その他の構成は第１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１０１及び平板導光体１１７と等しい揮発性の低い液体、或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１０５と接するのは平板導光体１１７であるので、透明電極１１０は平板導光体１１７上に形成される。この場合導光部材１０１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１０１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。
【００５７】
（実施の形態５）
図６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。本実施形態においては、反射部１１５が一辺を共有する２つの面（反射面１２８及び逆傾斜面１１８）によって構成され、屈折率可変物質１０５に進入した入射光と光入射部１０３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θ_2maxとすると、反射部１１５を構成する少なくとも１つの面（この例では逆傾斜面１１８）の法線と光入射部１０３を構成する面の法線とのなす角度（ここでは、逆傾斜面の傾斜角γ）が９０°−θ_2max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、θ_2max＝θ₁＝６０°であるので、γを３０°以下に設定すると、光入射部１０３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１２８の底辺から導光部材１０１の光入射部１０３までの距離、すなわち屈折率可変物質層１０５の最大厚ｔ_max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。
【００５８】
（実施の形態６）
図７は、本発明の第６の実施の形態を説明するための図である。本実施形態においては、図６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１２８及び逆傾斜面１１８を複数組（図７では２組）設けている。図７から明らかなように、照射エリアＡが図６のそれと等しい場合には、ｔ_maxがさらに小さくなり、より駆動電圧を低減できる。
【００５９】
なお、本発明においては、導光部材の屈折率は屈折率可変物質（液晶）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、例えば、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。
【００６０】
（実施の形態７）
図８は、本発明の第７の実施の形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子は、屈折率可変物質１０５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もつ。高分子分散液晶は高分子マトリクス１２０中に液晶ドロップレット１１９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。
【００６１】
高分子分散液晶の製法としては、
（１）液晶と熱、或いは光硬化（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。
【００６２】
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又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。
【００６３】
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。
【００６４】
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と導光部材、或いは平板導光体間に注入した後、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。
【００６５】
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８（Ａ）の時には、液晶分子の配向したドロップレット１１９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１０１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１０３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１０４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１０４において全反射する。
【００６６】
図８（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１０４に対してφ₁＝４０°で入射し、出射角φ₂＝７７°で出射する。
【００６７】
以上のようにθ₂の変化量を大きくすることで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て、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
また、図８（Ａ）の状態と図８（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。
【００６８】
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９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及びＢＬ２４（メルク社）、プレポリマーはＮＯＡ６０，６５及び８１（ノーランド社）を適宜用いた。
【００７０】
図１０は、応答速度測定装置の一例を示す図である。応答速度の測定は、図１０に示す装置を用いて、試料１２７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。図１０において、１２１はレーザ、１２２は偏光子、１２３，１２４はレンズ、１２５は検光子、１２６はパワーメータ、１２７は試料、１２９はＡｕ電極、１３０はＳｉ基板、１３１は高分子分散液晶層である。なお、試料１２７は高分子分散液晶層１３１の厚さを２０μｍ、光路長を１ｍｍとした。
【００７１】
図１１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１１（Ａ）に示すように、液晶ドロップレット１１９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１３２を印加すると、図１１（Ｂ）に示すように、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軸及び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。
【００７２】
図１０に示すように、レーザ光源１２１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１２５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９の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図９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。
【００７３】
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))²V²/λ⁴…（３）
【００７４】
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）及び波長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。
【００７５】
図１２は、Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％（ｄ（０.１））、３０％（ｄ（０.３））及び５０％（ｄ（０.５））の場合について、波長に対してプロットした図である。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１２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及び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。
【００７６】
（実施の形態８）
図１３は、本発明の第８の実施の形態を説明するための図である。本実施形態の光路切替素子は、電圧無印加時（図１３（Ａ）の時）に、ドロップレット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もつ。この配列方向は電圧印加時（図１３（Ｂ）の時）に液晶分子が揃う方向（電界方向）とほぼ直交し、導光部材の光入射部１０３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。
【００７７】
具体的には、第７の実施形態と同様の材料及び処方の高分子分散液晶を用いた場合、図１３（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７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１０３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１０４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１０４において全反射する。図１３（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１０４に対してφ₁＝３７°で入射し、出射角φ₂＝６６°で出射する。
【００７８】
θ₂の変化量を大きくすることで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１３（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１３（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。
【００７９】
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。
【００８０】
（実施の形態９）
図１４及び図１５は、本発明の第９の実施の形態を説明するための図で、図中、１４０は、一次元空間光変調器で、図１４（Ａ）は斜視図、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）をｂ方向から見た図、図１４（Ｃ）は図１４（Ａ）をｃ方向から見た図である。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１０７が一次元アレイ状に配置されている。基板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１０７）からの反射光のみが光出射部１０４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。
【００８１】
また、図１５に示すように、空間光変調器１４０の個別電極（金属膜）１０７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１３７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１３８によってスクリーン１３９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１５において、光源１３４にはレーザ，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１３５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。
【００８２】
（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、二次元空間光変調器１５０の斜視図である。基本的な構成は図１４と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜１０７が二次元アレイ状に配置されている。反射部材１０６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１０７）からの反射光のみが光出射部１０４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１５に示したような走査機構は不要で、光出射部の外側に投影レンズを設置し、スクリーン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。
【００８３】
なお、図１４，図１６に示した例では導光部材１０１を共通にして一つにしているが、導光部材１０１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。
【００８４】
（実施例１）
図１７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、反射部材の作製，セルの作製，液晶の注入，導光部材の接合の工程を順に図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）に示すものである。
（Ａ）反射部材の作製
Ｓｉ基板１０９の表面にＭＯＳＦＥＴによる駆動素子１５１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１０８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及びコンタクトホール１５２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１０７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１５３を形成した。
【００８５】
（Ｂ）セルの作製
クラウンガラス（ＢＫ７）からなる平板導光体１１７の片面に５０ｎｍ厚のＩＴＯからなる透明電極１１０及びポリイミドからなる配向膜１５４を形成したものと図１７（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１１１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。
【００８６】
（Ｃ）液晶の注入
図１７（Ｂ）に示した空セル内を真空排気した後、液晶（Ｅ７）１０５を注入し、注入孔を封止した。
【００８７】
（Ｄ）導光部材の接合
平板導光体１１７の上面に光硬化性接着剤を用いて、導光部材１０１及び第二の導光部材１１４を接合した。また、全反射光吸収膜及び正反射光吸収膜としてアルキド・メラミン系黒色塗料を導光部材表面の一部に塗布した。
【００８８】
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光（波長６７０ｎｍ）をＳ偏光として、入射面１００を介して光入射部１０３より入射し、駆動素子１５１により画像データに応じて選択的に個別電極１０７に電圧（５Ｖ）を印加したところ、第二の光出射部１１６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拡大投影画像（２値）を得ることができた。
【００８９】
（実施例２）
図１８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、反射部材の作製，セルの作製，注入，硬化，導光部材の接合の工程を順に図１８（Ａ）〜図１８（Ｅ）に示すものである。
（Ａ）反射部材の作製
Ｓｉ基板１０９の表面にＭＯＳＦＥＴによる駆動素子１５１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１０８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及びコンタクトホール１５２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１０７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１５３を形成した。
【００９０】
（Ｂ）セルの作製
クラウンガラス（ＢＫ７）からなる平板導光体１１７の片面に５０ｎｍ厚のＩＴＯからなる透明電極１１０及びポリイミドからなる配向膜１５４を形成したものと、図１８（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１１１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。
【００９１】
（Ｃ）注入
図１８（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％）１５５を注入し、注入孔を封止した。
【００９２】
（Ｄ）硬化
高圧水銀ランプによりＵＶ光（４００ｍＷ／ｃｍ²）１５６を照射し、高分子分散液晶１０５を形成した。
【００９３】
（Ｅ）導光部材の接合
平板導光体１１７の上面に光硬化性接着剤を用いて、導光部材１０１及び第二の導光部材１１４を接合した。また、全反射光吸収膜及び正反射光吸収膜としてアルキド・メラミン系黒色塗料を導光部材表面の一部に塗布した。
【００９４】
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光（波長６７０ｎｍ）をＳ偏光として、入射面１００を介して光入射部１０３より入射し、駆動素子１５１により画像データに応じて選択的に個別電極１０７に電圧（１５Ｖ）を印加したところ、第二の光出射部１１６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拡大投影画像（６４諧調）を得ることができた。
【００９５】
【発明の効果】
本発明によれば、導光部材を介した光入射部と、光入射部から入った入射光を反射する反射部との間に屈折率可変物質を封入し、信号印加によってその屈折率を反射部で反射した光が光出射部で全反射する状態と全反射しない状態とを取ることができる範囲で変化させ、全反射した光を光吸収膜で吸収するようにしたので、迷光を防止することができて、Ｓ／Ｎ比の高い光路切替素子を提供することができる。
【００９６】
本発明によれば、上記光路切替素子をアレイ状に配列したので、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。
【００９７】
本発明によれば、上記空間光変調器により形成した画像をスクリーンに投影するようにしたので、耐久性が高く、低コストで光利用効率の高い画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】特願２００１−１８７５７７号明細書で提案されている光路切替素子の概略構成を示す図である。
【図２】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３】本発明の第２の実施の形態を説明するための図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を説明するための図である。
【図５】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６】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】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８】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９】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１０】応答速度測定装置の一例を示す図である。
【図１１】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１２】Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％、３０％及び５０％の場合について、波長に対してプロットした図である。
【図１３】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１４】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１５】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】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１８】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１９】従来の空間光変調器の平面図である。
【図２０】図１９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２１】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２２】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。
【符号の説明】
１０１…導光部材、１０２…外部物質、１０３…光入射部、１０４…光出射部、１０５…屈折率可変物質、１０６…反射部材、１０７…金属膜、１０８…絶縁体、１０９…基板、１１０…透明電極、１１１…シール剤、１１２…液晶分子、１１３…光検出器、１１４…第二の導光部材、１１５…反射部、１１６…第二の光出射部、１１７…平板導光体、１１８…逆傾斜面、１１９…液晶ドロップレット、１２０…高分子マトリクス、１２１…レーザ、１２２…偏光子、１２３，１２４…レンズ、１２５…検光子、１２６…パワーメータ、１２７…試料、１２８…反射面、１２９…Ａｕ電極、１３０…Ｓｉ基板、１３１…高分子分散液晶層、１３２…電界、１３４…光源、１３５…コリメートレンズ、１３７…走査機構、１３８…投影レンズ、１３９…スクリーン、１４０，１５０…空間光変調器、１５１…駆動素子、１５２…コンタクトホール、１５３，１５４…配向膜、１５５…液晶／紫外線硬化性化合物混合体、１５６…紫外線、１９０…全反射光出射部、２００…全反射光吸収膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical path switching element, a spatial light modulator, and an image display device.
[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 shown in Japanese Patent Laid-Open No. 5-196880 are arranged in a two-dimensional manner. Is known.
[0003]
FIG. 19 is a plan view of a conventional spatial light modulator (described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-196880). On the plane, as shown in FIG. 19, only the square torsion beam reflecting surface 11 and the beam support post 12 are present. Observed. 20 is a cross-sectional view of one rotating mirror of the spatial light modulator shown in FIG. 19, FIG. 20A is a cross-sectional view along the hinge, and FIG. 20B is a cross-sectional view perpendicular to the hinge. is there. The beam support post 12 makes the beam 11 rotatable toward the ground electrode 14 by twisting of the hinge 13 connected to the post 15. The driving force is given by the voltage applied to the address electrode 17 supported by the post 16. A voltage is applied to the address electrode 17 by transmitting a signal of a CMOS circuit (not shown) provided on the substrate layer 19 through the metal layer 18. By changing the rotation state of the beam 11 for each rotating mirror, the incident light can be spatially modulated two-dimensionally.
[0004]
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.
[0005]
As another optical switching element (optical path switching element), for example, there is an optical switching element disclosed in JP-A-11-202222. FIG. 21 is a diagram for explaining the operation of the optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-202222. The optical switching element captures evanescent light by reflecting the light guide member 21 having a total reflection surface 22 capable of transmitting light by totally reflecting the light, and the extraction surface 32 approaching the total reflection surface 22 and reflecting it. The prism 31 that can emit light and the drive unit 40 that drives the prism 31 to approach or separate from the light guide member 21 are stacked in this order with respect to the light emitting direction. . The cell on the right side of FIG. 21 shows a state in which the prism 31 is located at a position more than the extraction distance at which evanescent light leaks by operating the driving unit 40. At this time, the light beam 1 propagating through the light guide member 21 is totally reflected by the total reflection surface 22 and is emitted 2 in the right direction of the drawing as shown in FIG. When the drive unit 40 is not operated, the prism 31 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 21, the light enters the prism 31 without being reflected by the total reflection surface 22. The light beam that has entered the prism 31 is reflected by the reflecting surface 31a of the prism, and is transmitted through the light guide member 21 and emitted as the light beam 3 shown in FIG.
[0006]
In the above system, a relatively simple driving mechanism can be adopted to switch between the two states of extraction and non-extraction of evanescent light because a minute displacement less than or equal to the wavelength of the light may be used. Since the structure of the prism 31 shown in FIG. 3 is complicated, it is difficult to uniformly form a plurality of prisms 31 on a substrate with a minute size, which leads to a decrease in manufacturing yield and an increase in cost. There's a problem. Further, when the prism 31 is brought close to the light guide member 21 and the total reflection surface 22, there is a problem that the van der Waals force or the liquid bridging force acts to make it difficult to peel off.
[0007]
Furthermore, as another optical switching element, there is an optical switching element disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-171813. FIG. 22 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-171813. By applying a voltage to the liquid crystal 60 that is in contact with the light guide 50 that transmits light by total reflection, the orientation of the liquid crystal molecules is controlled, whereby the effective refractive index is a value for extraordinary light and a value for ordinary light. Vary between. As a result, it is possible to switch between the state in which the incident light (linearly polarized light) 1 is emitted as the total reflected light 2 and the state in which the incident light (linearly polarized light) 1 is changed in direction by the reflective film 61 after being transmitted and emitted as the reflected light 3. it can. In FIG. 22, 51 is a transparent electrode, 70 is a liquid crystal driving IC substrate, and 71 is an electrode terminal.
[0008]
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 is a restriction that it is necessary to manufacture or the incident angle of light has to be increased, and there is a problem that is not preferable in practice such as material cost becomes high, optical system becomes complicated, or light use efficiency decreases. It can happen.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, has a simple structure, has high durability, can reduce member costs, has high light utilization efficiency, further prevents stray light, and has an S / N ratio. An object of the present invention is to provide an optical path switching element having a large height. Another object of the present invention is to provide a spatial light modulator using the optical path switching element and an image display device using the spatial light modulator. More specifically, (1) To provide an optical path switching element that has a simple structure, high durability, can reduce member costs, has high light utilization efficiency, prevents stray light, and has a high S / N ratio. Item 1) , (2 ) To provide an optical path switching element that allows easy optical system design and optical axis adjustment (claims) 2 ).
[0010]
( 3 In addition to the above, an optical path switching element that is easy to manufacture is provided (claims) 3 ), ( 4 In addition to the above, an optical path switching element capable of reducing driving energy is provided. 4 ), ( 5 Further, an optical path switching element capable of reducing driving energy is provided. 5 ), ( 6 Furthermore, it is possible to provide an optical path switching element that is easy to manufacture and that can increase the S / N ratio. 6 ).
[0011]
( 7 Further, in addition to the above, an optical path switching element having a high response speed is provided (claims) 7 ), ( 8 In addition to the above, an optical path switching element with small optical loss is provided. 8 ), ( 9 In addition to the above, an optical path switching element capable of further increasing the S / N ratio is provided. 9 ).
[0012]
( 10 Furthermore, the present invention provides a spatial light modulator having a simple structure, high durability, reduced member cost, high light utilization efficiency, and high S / N ratio. 10 ), ( 11 A spatial light modulator capable of having a higher S / N ratio. 11 ).
[0013]
( 12 Furthermore, an image display device having high durability, low cost, high light utilization efficiency, and a high S / N ratio is provided. 12 ), ( 13 An image display device capable of having a higher S / N ratio is provided. 13 ).
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, the light incident part via the light guide member, the reflection part for reflecting the incident light entering from the light incident part, and the light reflected by the reflection part via the light guide member An optical path switching element composed of a light emitting section that extracts light as outgoing light, encloses a refractive index variable substance in the optical path between the light incident section and the reflecting section, and gives a signal to the refractive index variable substance. A signal input means for causing a change, and a change in the refractive index of the refractive index variable material due to the signal between the light guide member and an external material that contacts the light guide member when the light reflected by the reflection unit In the optical path switching element that performs the first state of total reflection at the interface and the second state of not total reflection, the light guide member And air interface A light absorbing film that absorbs the totally reflected light in the first state of total reflection Furthermore, a light absorption film that absorbs specularly reflected light at the light incident portion is provided on a part of the light guide member. It is characterized by that.
[0016]
Claim 2 The invention of claim 1 In the invention, a second light emitting portion that can emit the emitted light to the outside through the second light guide member is provided.
[0017]
Claim 3 The invention of claim 1 Or 2 According to the invention, a flat light guide body optically joined to the light incident portion and having a refractive index substantially equal to that of the light guide member is provided.
[0018]
Claim 4 The invention of claim 1 to claim 1 3 In any one of the inventions, the reflecting portion is constituted by two surfaces sharing one side, and an angle formed between incident light that has entered the refractive index variable material and a normal line of the surface that constitutes the light incident portion. The maximum value in the operating range is θ _2max Then, 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. _2max It is characterized by the following.
[0019]
Claim 5 The invention of claim 1 to claim 1 4 In any one of the inventions, the reflecting portion has a plurality of sets of surfaces with respect to a unit element for applying a signal to the refractive index variable substance.
[0020]
Claim 6 The invention of claim 1 to claim 1 5 In any one of the inventions, the refractive index variable substance is made of a liquid crystal material.
[0021]
Claim 7 The invention of claim 1 to claim 1 6 In any one of the inventions, 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.
[0022]
Claim 8 The invention of claim 7 In the invention, the liquid crystal material of the refractive index variable substance is a droplet having a particle diameter of 1/5 or less of the wavelength of incident light.
[0023]
Claim 9 The invention of claim 6 Thru 8 In any one of the inventions, all the liquid crystal molecules of the liquid crystal material are arranged in approximately one direction when no voltage is applied.
[0024]
Claim 10 The invention of claim 1 to claim 1 9 The optical path switching elements according to any one of the above are arranged in a two-dimensional array.
[0025]
Claim 11 The invention of claim 1 to claim 1 9 The optical path switching elements according to any one of the above are arranged in a one-dimensional array.
[0026]
Claim 12 The invention of claim 10 And a means for projecting light onto the spatial light modulator, and a means for projecting and displaying an image formed by the spatial light modulator on a screen. .
[0027]
Claim 13 The invention of claim 11 The spatial light modulator described above, means for making the light incident on the spatial light modulator, and the light emitted from the spatial light modulator in a direction perpendicular to the alignment direction of the optical path switching elements of the spatial light modulator It has a scanning mechanism for scanning, and means for projecting and displaying a light beam emitted from the scanning mechanism on a screen.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the specification of Japanese Patent Application No. 2001-187777, the applicant of the present invention has an optical path element (optical path switching element) having a simple structure, high durability, reduced member cost, and high light utilization efficiency, and spatial light using the same. A modulator and an image display device using the spatial light modulator have been proposed.
[0029]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical path switching element proposed in Japanese Patent Application No. 2001-187577. This optical path switching element encloses a refractive index variable substance 105 between a light incident part 103 via a light guide member 101 and a light reflecting part 115 that reflects incident light entering from the light incident part 103, and applies a signal. Thus, optical switching is performed by changing the refractive index of the refractive index variable substance to switch between the state of total reflection and the state of non-total reflection at the light emitting unit 104.
[0030]
In this system, the light totally reflected at the time of FIG. 1A is reflected at the interface between the light guide member 101 and the external substance 102 when emitted from the total reflection light emitting portion 190, and the inside of the light guide member 101. It becomes stray light. Further, the light incident on the light incident portion does not transmit 100% into the refractive index variable material, and the refractive index of the light guide member 101, the refractive index of the transparent electrode 110, and the incident angle θ. ₁ The light is specularly reflected at a ratio determined by, and becomes stray light inside the light guide member 101. These stray lights have a problem of reducing the contrast in optical switching, that is, the S / N ratio.
[0031]
(Configuration and operation of the present invention)
The purpose of the present invention is to prevent the stray light and increase the S / N ratio of optical switching. In the present invention, the light incident part through the light guide member and the reflection that reflects the incident light entering from the light incident part. And an optical path switching element comprising a light emitting part for taking out the light reflected by the reflecting part as outgoing light through the light guide member, and encapsulating a refractive index variable substance in the optical path including the reflecting part And a signal input means for giving a signal to the refractive index variable substance according to information to cause a refractive index change, and reflecting the refractive index change of the refractive index variable substance by the signal by the reflection unit. In the optical path switching element that performs the first state of total reflection at the interface between the light guide member and the external substance that contacts the light guide member and the second state in which total reflection does not take place, Light totally reflected in one state Suggest optical path switching element characterized by providing a light absorbing film to yield.
[0032]
Here, the refractive index of the light guide member is n ₁ , The refractive index of the refractive index variable substance is n ₂ And 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 θ ₁ When 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 θ ₂ Then, the following equation holds according to Snell's law.
sinθ ₂ / Sinθ ₁ = N ₁ / N ₂ ... (1)
[0033]
N by external signal ₂ Changes to θ according to equation (1) ₂ As a result, the reflection angle at the reflecting portion changes, and the incident angle to the light emitting portion changes. At this time, the refractive index change of the refractive index variable substance due to the signal is not totally reflected in the first state in which 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. Perform within the range that can be taken with the second state. Then, the total reflection light is absorbed by the light absorption film to prevent stray light. This makes it possible to realize devices and systems with a high S / N ratio that are not affected by stray light. The This optical path switching element is used in various devices such as optical communication, optical calculation, optical printer, image display device and the like.
[0034]
Further, most of the light incident on the light incident portion is incident on the refractive index variable substance, but part of the light is regularly reflected by the light incident portion and becomes stray light inside the light guide member. The S / N ratio can be further increased by providing a light absorbing film that absorbs the regularly reflected light. 1 ). That is, an optical path switching element with a higher S / N ratio can be provided.
[0035]
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. The light emitted from the light emitting part again enters the second light guide member and is emitted from the second light emitting part. At this time, since the emission direction can be controlled by the shape of the second light guide member, the design of the optical system downstream of the optical path switching element and the optical axis alignment can be facilitated. 2 ). That is, it is possible to provide an optical path switching element that is easy to design an optical system and adjust an optical path.
[0036]
Furthermore, in the above, it is preferable from the viewpoint of ease of manufacture to provide a flat light guide that is optically bonded to the light incident portion and has 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, Manufacturing is significantly easier than manufacturing a device using a light guide member. 3 ). That is, in addition to the above, an optical path switching element that is easy to manufacture can be provided.
[0037]
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 θ _2max Then, 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. _2max The following is preferable. By doing so, the distance from the reflecting part to the light incident part can be reduced, so that the energy (driving energy) given to the refractive index variable substance can be reduced. 4 ). That is, it is possible to provide an optical path switching element that can reduce drive energy.
[0038]
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. 5 ). That is, it is possible to provide an optical path switching element that can further reduce driving energy.
[0039]
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 effect _Three BaTiO which shows the car effect _Three Among 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, θ ₂ Can be increased, and as a result, the angle φ incident on the light emitting portion ₁ Since 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 flat light guide) and the reflective member can be easily realized (claims). 6 ). That is, it is possible to provide an optical path switching element that is easier to manufacture and that can increase the S / N ratio.
[0040]
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 optical loss is significantly reduced. The particle size referred to here is a particle size representative of the structure, and an average particle size usually measured by an electron micrograph or the like is preferably used. 7 , Claims 8 ). That is, in addition to the above, an optical path switching element with a high response speed can be provided. Furthermore, in addition to the above, an optical path switching element with small optical loss can be provided.
[0041]
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), θ ₂ Can be increased, and as a result, the angle φ incident on the light emitting portion ₁ Since 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. 9 ). That is, in addition to the above, an optical path switching element that can further increase the S / N ratio can be provided.
[0042]
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 a spatial light modulator, the cost is lower. 10 , Claims 11 ). 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. Further, in addition to the above, a spatial light modulator with a high manufacturing yield and low cost can be provided.
[0043]
By providing the spatial light modulator and means for enlarging and projecting the image formed by the light beam incident means and the spatial light modulator on the screen, a highly durable and inexpensive image display device can be configured. 12 , Claims 13 ). That is, an image display device with high durability, low cost, and high light utilization efficiency can be provided.
[0044]
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a diagram for explaining the first embodiment of the present invention, in which 101 is an optically transparent light guide member made of glass, plastic or the like. The light guide member 101 includes a light incident portion 103 that causes light from a light source to enter the refractive index variable material 105, and a light emitting portion 104 that emits the light reflected by the reflecting portion 115 to the outside of the light guide member 101. . The reflecting member 106 including the reflecting portion 115 is formed on a substrate 109 made of Si, glass, etc., with an inclined surface formed of an insulator 108 made of ceramic such as glass, plastic, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, etc. A highly reflective metal film 107 made of Al, Ag or the like can be formed on the inclined surface by a known method such as vacuum deposition or sputtering. Further, if necessary, patterning may be performed by photolithography etching. This metal film 107 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 107 on the substrate 109.
[0045]
As the reflecting member 106, a configuration in which the insulator 108 also serves as the substrate 109, a configuration in which an inclined surface is directly formed using a metal plate as a substrate, and the like are possible. 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 105, a 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.
[0046]
The light incident portion 103 is provided with a transparent electrode 110 made of ITO or the like for applying a voltage to the refractive index variable material 105. When the refractive index variable substance is made of a fluid material such as liquid crystal, a sealing agent 111 made of epoxy resin or the like is preferably formed and held. If an example of a manufacturing process is shown, after printing a thermosetting epoxy resin in the peripheral part of a light guide member (or reflection member) leaving a part of an opening (injection hole), a reflection member (or light guide member) ) And heat cure. After the liquid crystal is injected from the injection hole, the hole is closed with an adhesive to complete.
[0047]
FIG. 2A shows the refractive index n of the refractive index variable material 105. ₂ Is the refractive index n of the light guide member 101 ₁ In this case, the angle of refraction θ ₂ Is the incident angle θ according to equation (1) ₁ Smaller. An angle formed by the normal of the surface constituting the reflecting portion 115 and the normal of the surface constituting the light incident portion 103 (here, the inclination angle α of the surface constituting the reflecting portion) is expressed as α = θ ₂ If set to / 2, the reflected light enters the light incident portion 103 perpendicularly and exits. The angle φ at which the reflected light is incident on the light emitting part 104 is β, where β is the angle between the surface constituting the light emitting part 104 and the surface constituting the light incident part 103. ₁ Is φ ₁ = Β. The external material 102 is generally air (refractive index n _a = 1), therefore, the reflected light is totally reflected at the light emitting portion 104 when β satisfies the formula (2).
sin β ≧ n _a / N ₁ ... (2)
[0048]
A totally reflected light absorbing film 200 that absorbs the totally reflected light is provided at a portion where the light totally reflected by the light emitting portion 104 is incident on the interface between the light guide member 101 and the external substance 102 again. It is desirable that the total reflection light absorbing film 200 has a light absorption characteristic that can effectively absorb the total reflection light. Specific examples include inorganic pigments such as carbon black, iron oxide, and chromium oxide, and dyes such as direct black and acid black. Further, a plurality of dyes or pigments having different absorption wavelength ranges may be mixed so as to have absorption in a wide wavelength range. Furthermore, when the incident light wavelength range is monochromatic light such as red, green, or blue, it is only necessary to absorb a specific wavelength range, and therefore, a dye or pigment having absorption in a necessary wavelength range may be used. As a method of forming the total reflection light absorbing film, an existing forming method such as a method of applying or drying by dissolving or dispersing in a solvent or a dispersion medium, a method of vapor deposition or sputtering, or the like can be used. Since the total reflection light is effectively absorbed by the total reflection light absorbing film 200, the total reflection light does not become stray light, thus preventing the S / N ratio from being lowered.
[0049]
As a specific example, the light guide member 101 is made of crown glass BK7 (nd = 1.517), and the refractive index variable material 105 is nematic liquid crystal E7 (ordinary refractive index no = 1.522, extraordinary refractive index ne = 1.746), the liquid crystal molecules 112 are aligned in advance in the direction perpendicular to the paper surface with respect to the light incident portion 103 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 110 and the metal film 107.
[0050]
In the state of FIG. 2A, the laser beam (wavelength 633 nm) is converted to S-polarized light and θ ₁ = 60 °, the refractive index of the liquid crystal 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 incident portion 103, so that refraction at the light incident portion 103 does not occur. The surface constituting the light emitting portion 104 is set to be β = 45 ° with respect to the surface constituting the light incident portion 103. Therefore, in FIG. 2A, the reflected light is φ with respect to the light emitting portion 104. ₁ Incident at 45 °. At this time, the external substance 102 is air (n _a In the case of = 1), the expression (2) is satisfied, so that the reflected light is totally reflected by the light emitting unit 104 and absorbed by the totally reflected light absorbing film 200.
[0051]
In the case of FIG. ₁ = 34 °, incident angle φ ₂ Outputs at = 58 °. In the state shown in FIG. 2B, the light output can be detected with a good S / N ratio by providing the photodetector 113 at a position opposite to the traveling direction of the light emitted to the outside of the light guide member 101. it can.
As described above, a high S / N ratio can be obtained in order to prevent stray light from being absorbed by one of the lights. Specifically, when the total reflection light absorption film 200 is not provided in the above configuration, the S / N ratio was about 200, but by providing the total reflection light absorption film 200, the S / N ratio was improved to about 4000. .
[0052]
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 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.
[0053]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention. The optical path switching element of this embodiment is provided with a regular reflection light absorbing film 202 that absorbs regular reflection light in which incident light is regularly reflected by the light incident portion 103. Other settings are the same as in the first embodiment.
In FIG. 3A, most of the light incident on the light incident portion is incident on the refractive index variable material 105, but part of the light is regularly reflected by the light incident portion 103. The specularly reflected light 201 is absorbed by the specularly reflected light absorbing film 202, thereby preventing stray light. As a result, the S / N ratio can be further increased. Specifically, when the total reflection light absorption film 200 is provided and the regular reflection light absorption film 202 is not provided, the S / N ratio is about 4000, but the S / N ratio is also provided by providing the regular reflection light absorption film 202. Improved to about 10,000. The material and formation method of the regular reflection light absorption film 202 are the same as those of the total reflection light absorption film 200.
[0054]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention. In FIG. 4, 114 is a second light guide member made of the same material as the light guide member 101, and 116 is a second light output member. It is the 2nd light-projection part which can take out outside through this light guide member. In this example, the light emitting portion 104 and the second light guide member 114 (both finished with a smoothness of the order of the wavelength of the incident light) are roughly adhered to each other to form a gap (air layer) of the order of the wavelength of the incident light. I have it. Further, the surface constituting the second light emitting portion 116 is substantially parallel to the surface constituting the light incident portion 103. Further, the angle β formed between the light incident surface and the light emitting surface is β = 34 °, and the inclination angle α of the surface constituting the reflecting portion 115 is α = 30 °. Other settings are the same as in the first embodiment.
[0055]
In FIG. 4A, the light reflected by the reflecting portion 115 is φ with respect to the light emitting portion 104. ₁ Is incident at 47 °, is totally reflected at the interface between the light emitting portion 104 and the air layer in the gap, and is absorbed by the total reflection light absorbing film 200. In the case of FIG. 4B, the light emitted from the light emitting unit 104 travels substantially straight (actually translates about the wavelength), enters the second light guide member 114 again, and enters the second light emitting unit. The light exits vertically from 116. In this case, since light is emitted perpendicularly to the optical path switching element, it is easy to design the optical system and adjust the optical axis after emission. In addition, when forming a spatial light modulator or an image display device using this optical path switching element, a special optical system such as an oblique incident optical system is not used because the optical path of the emitted light is perpendicular to the spatial light modulator. However, it is possible to collect, enlarge, and project the emitted light.
[0056]
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention, in which 117 is a flat light guide having a refractive index substantially equal to that of the light guide member 101. The flat light guide 117 is optically joined to the light guide member 101. Other configurations are the same as those of the first 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 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 having a refractive index substantially equal to that of the light guide member 101 and the flat light guide 117 or a photo-curable adhesive as the fluid object. In this embodiment, since the flat light guide 117 is in contact with the refractive index variable material 105, the transparent electrode 110 is formed on the flat light guide 117. In this case, since the light guide member 101 may be joined last, the main part of the device can be manufactured without using the light guide member 101 having a complicated shape, which improves the yield and reduces the cost. be able to.
[0057]
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the reflecting portion 115 is constituted by two surfaces sharing one side (the reflecting surface 128 and the reverse inclined surface 118), and the surface that constitutes the light incident portion 103 and the incident light that has entered the refractive index variable material 105. The angle (refraction angle) θ with the normal of ₂ The maximum value in the operating range of _2max Then, an angle (here, the inclination of the reverse inclined surface) formed by the normal line of at least one surface (in this example, the reverse inclined surface 118) constituting the reflecting portion 115 and the normal line of the surface forming the light incident portion 103 is defined. Angle γ) is 90 ° -θ _2max It is as follows. Other configurations are the same as those of the third embodiment. In this case, θ _2max = Θ ₁ = 60 °, and when γ is set to 30 ° or less, the incident area A of the incident light in the light incident portion 103 is the same as that in the first embodiment. The distance to the light incident portion 103, that is, the maximum thickness t of the refractive index variable material layer 105 _max The driving voltage can be lowered.
[0058]
(Embodiment 6)
FIG. 7 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a plurality of sets (two sets in FIG. 7) of reflecting surfaces 128 and reverse inclined surfaces 118 are provided in a region facing the irradiation area A in the embodiment of FIG. As is apparent from FIG. 7, when the irradiation area A is equal to that of FIG. _max Can be further reduced, and the drive voltage can be further reduced.
[0059]
In the present invention, since the refractive index of the light guide member may be equal to or smaller than the minimum refractive index (no) of the refractive index variable substance (liquid crystal), the most typical optical glass in the above embodiment. An example using BK7 is given. For example, the 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. 2000-171183 is used. When the same liquid crystal (E7) and incident angle (60 °) as in the embodiment are applied, a light guide member having a refractive index of 1.76 or more must be used, leading to an increase in cost.
[0060]
(Embodiment 7)
FIG. 8 is a diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention. The optical path switching element of 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 105. The polymer dispersed liquid crystal is formed by dispersing liquid crystal droplets 119 in a polymer matrix 120. 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.
[0061]
As a manufacturing method of polymer dispersed liquid crystal,
(1) A polymerization phase separation method in which a solution is made from liquid crystal and heat, or a photocurable (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.
[0062]
As the polymer, it is preferable to use an ultraviolet curable resin from the viewpoints of the ease of the production process and the separation property 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.
[0063]
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.
[0064]
When a liquid material in which a liquid crystal material is uniformly dissolved in the ultraviolet curable compound is injected between the reflecting member and the light guide member or the flat light guide, and then the ultraviolet curable compound is cured by irradiating ultraviolet rays. At the same time, the liquid crystal material is phase-separated to form a polymer dispersed liquid crystal layer.
[0065]
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 / cm ² ) (The average particle diameter of the liquid crystal droplets is about 60 nm), the orientation of the droplets 119 in which the liquid crystal molecules are aligned is random in the case of FIG. The refractive index is approximately the volume average of the average refractive index of liquid crystal (≈ (2no + ne) /3≈1.58) and the refractive index of the polymer matrix (≈1.56). (≈1.57). In this case, the alignment treatment is not performed in advance. If the light guide member 101 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 °, the reflected light is incident on the light. The light enters the portion 103 substantially perpendicularly. When β = 43 ° is set, the reflected light is φ with respect to the light emitting portion 104. ₁ Incident at 43 °. At this time, since Expression (2) is satisfied, the reflected light is totally reflected by the light emitting unit 104.
[0066]
In FIG. 8B, the liquid crystal molecules are aligned 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 the liquid crystal (≈no = 1.513) and the refractive index of the polymer matrix (≈ 1.556) and a 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 104. ₁ = 40 ° incident and outgoing angle φ ₂ Output at = 77 °.
[0067]
As above ₂ Increasing the amount of change in angle φ ₁ Since 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. 8A and the state of FIG. 8B is on the order of several tens of μs, and this value is about two orders of magnitude faster than the bulk liquid crystal.
[0068]
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. 9 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.
[0070]
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a response speed measuring apparatus. The response speed was measured by using the apparatus shown in FIG. 10 to measure the total of the rise time (Ton) and fall time (Toff) of the optical output when a pulse voltage (200 V) was applied to the sample 127. In FIG. 10, 121 is a laser, 122 is a polarizer, 123 and 124 are lenses, 125 is an analyzer, 126 is a power meter, 127 is a sample, 129 is an Au electrode, 130 is a Si substrate, and 131 is a polymer dispersed liquid crystal layer. It is. In Sample 127, the thickness of the polymer-dispersed liquid crystal layer 131 was 20 μm, and the optical path length was 1 mm.
[0071]
FIG. 11 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 119 is random as shown in FIG. 11A, 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 132 is applied in the z direction, as shown in FIG. 11B, the molecular axes of the liquid crystal molecules are aligned in this direction, so that the refractive index in the z axis direction increases, and the refractive indexes in the x axis and y axis directions. Remain equal to each other and their size is reduced.
[0072]
As shown in FIG. 10, when the light from the laser light source 121 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, and the analyzer 125 can be changed. The light output passed through changes. Although such a birefringence phenomenon is not used in the present invention, the response speed of FIG. 9 can be similarly applied to the present invention because the behavior of the liquid crystal molecules and the accompanying change in the refractive index when an electric field is applied are used. FIG. 9 shows that the response speed increases as the liquid crystal droplet size decreases.
[0073]
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 = 24π ^Three ((m ² -1) / (m ² +2)) ² V ² / λ ^Four ... (3)
[0074]
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.
[0075]
FIG. 12 shows that the particle size at which T = 0.9 is 10% (d (0.1)), 30% (d (0.3)) and 50% (d (0.5)). It is the figure plotted with respect to the wavelength about the case of. 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 viewpoint, as shown in FIG. 12, d is preferably λ / 5 or less, 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.
[0076]
(Embodiment 8)
FIG. 13 is a diagram for explaining an eighth embodiment of the present invention. The optical path switching element of this embodiment is the same as that of the seventh embodiment, except that all liquid crystal molecules in the droplet are arranged in approximately one direction when no voltage is applied (in FIG. 13A). It has the composition of. 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. 13B), and is in a direction horizontal to the light incident portion 103 of the light guide member and perpendicular to the paper surface. It is good to do. By doing this, a large refractive index difference is obtained, so θ ₂ Can be increased, and a high S / N ratio can be obtained.
[0077]
Specifically, when a polymer-dispersed liquid crystal having the same material and formulation as in the seventh embodiment is used, the refractive index of the polymer-dispersed liquid crystal layer is the refractive index of the liquid crystal (≈ne at the time of FIG. 13A. = 1.717) and the refractive index (≈1.56) of the polymer matrix can be regarded as a volume average (≈1.61). As in the seventh embodiment, when the incident angle is set to 75 °, the refraction angle becomes 66 °. Therefore, when α = 33 ° is set, the reflected light enters the light incident portion 103 almost perpendicularly. When β = 43 ° is set, the reflected light is φ with respect to the light emitting portion 104. ₁ Incident at 43 °. At this time, since Expression (2) is satisfied, the reflected light is totally reflected by the light emitting unit 104. In FIG. 13B, 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 the liquid crystal (≈no = 1.513) and the refractive index of the polymer matrix (≈ 1.556) and a 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 104. ₁ = Incident at 37 °, outgoing angle φ ₂ Output at = 66 °.
[0078]
θ ₂ Increasing the amount of change in angle φ ₁ Since 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. ₂ Is 55 °. At this time, if α = 27.5 ° and β = 43 ° are set, φ in FIG. ₁ = 39 °, φ ₂ = 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. .
[0079]
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.
[0080]
(Embodiment 9)
14 and 15 are views for explaining a ninth embodiment of the present invention, in which 140 is a one-dimensional spatial light modulator, FIG. 14 (A) is a perspective view, and FIG. FIG. 14B is a view of FIG. 14A viewed from the b direction, and FIG. 14C is a view of FIG. 14A viewed from the c direction. The basic configuration is the same as in the seventh embodiment, but the metal films 107 that also serve as individual electrodes are arranged in a one-dimensional array. The substrate is preferably provided with drive elements connected to the individual electrodes and for 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 107) is emitted from the light emitting unit 104, 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.
[0081]
Further, as shown in FIG. 15, the driving signal supply to the individual electrode (metal film) 107 of the spatial light modulator 140 and the driving of the scanning mechanism 137 including a galvanometer mirror are controlled based on the image signal. By projecting the two-dimensional spatial light modulated light beam onto the screen 139 by the projection lens 138, an image display device can be formed. In FIG. 15, a laser, LED, lamp, or the like can be used as the light source 134. Further, the collimating lens 135 may be an optical integrator, and a polarization conversion optical system (not shown) may be provided at the subsequent stage.
[0082]
(Embodiment 10)
FIG. 16 is a perspective view of the two-dimensional spatial light modulator 150 for explaining the tenth embodiment of the present invention. The basic configuration is the same as that shown in FIG. 14, but the metal films 107 also serving as individual electrodes are arranged in a two-dimensional array. The reflecting member 106 is preferably provided with a driving element connected to each individual electrode and selectively supplying a signal thereto. By selectively applying a voltage signal to each individual electrode arranged in an array, only reflected light from the selected individual electrode (metal film 107) is emitted from the light emitting unit 104, 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, a scanning mechanism as shown in FIG. 15 is unnecessary, and a projection lens is installed outside the light emitting unit and projected onto the screen. An image display device can be formed.
[0083]
In the example shown in FIGS. 14 and 16, the light guide member 101 is used in common, but the light guide member 101 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.
[0084]
Example 1
FIG. 17 is a diagram for explaining an example of the manufacturing process of the two-dimensional spatial light modulator. The manufacturing process of the reflective member, the cell, the liquid crystal, and the light guide member are sequentially illustrated in FIG. To FIG. 17D.
(A) Production of reflecting member
A plurality of MOSFET driving elements 151 were formed on the surface of the Si substrate 109, and a 5 μm thick silicon oxide 108 was deposited thereon by CVD. Next, the inclined surface and the contact hole 152 were formed by patterning using a photomask having a pattern of area gradation and performing dry etching. 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 107. A 0.1 μm-thick polyimide film was formed thereon by spin coating, and an alignment film 153 was formed by rubbing.
[0085]
(B) Production of cell
A transparent electrode 110 made of ITO having a thickness of 50 nm and an alignment film 154 made of polyimide are formed on one surface of a flat light guide 117 made of crown glass (BK7) and a reflective member shown in FIG. Bonding was performed using a sealing material 111 made of resin, and an empty cell was produced. An injection hole was provided in a part of the sealing material.
[0086]
(C) Liquid crystal injection
After evacuating the empty cell shown in FIG. 17B, liquid crystal (E7) 105 was injected to seal the injection hole.
[0087]
(D) Joining of light guide members
The light guide member 101 and the second light guide member 114 were joined to the upper surface of the flat light guide 117 using a photocurable adhesive. Further, an alkyd / melamine black coating was applied to a part of the surface of the light guide member as a total reflection light absorption film and a regular reflection light absorption film.
[0088]
Using the spatial light modulator manufactured as described above, image display was performed as follows.
Laser light (wavelength 670 nm) shaped to have a substantially rectangular cross section is made S-polarized light from the light incident portion 103 via the incident surface 100, and the individual electrodes are selectively selected by the drive element 151 according to the image data. When a voltage (5 V) is applied to 107, the spatially modulated output light is extracted from the second light emitting unit 116, and an enlarged projection image (binary) can be obtained on the screen by a projection lens (not shown). It was.
[0089]
(Example 2)
FIG. 18 is a diagram for explaining another example of the manufacturing process of the two-dimensional spatial light modulator. The manufacturing process of the reflecting member, the manufacturing process of the cell, the injection, the curing, and the joining process of the light guide member are sequentially illustrated in FIG. A) to FIG. 18 (E).
(A) Production of reflecting member
A plurality of MOSFET driving elements 151 were formed on the surface of the Si substrate 109, and a 5 μm thick silicon oxide 108 was deposited thereon by CVD. Next, the inclined surface and the contact hole 152 were formed by patterning using a photomask having a pattern of area gradation and performing dry etching. 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 107. A 0.1 μm-thick polyimide film was formed thereon by spin coating, and an alignment film 153 was formed by rubbing.
[0090]
(B) Production of cell
A transparent electrode 110 made of ITO having a thickness of 50 nm and an alignment film 154 made of polyimide are formed on one side of a flat light guide 117 made of crown glass (BK7), and the reflecting member shown in FIG. Bonding was performed using a sealing material 111 made of resin, and an empty cell was produced. An injection hole was provided in a part of the sealing material.
[0091]
(C) Injection
After the empty cell shown in FIG. 18B was evacuated, a mixture (liquid crystal concentration 45 wt%) 155 of liquid crystal (BL24) and an ultraviolet curable compound (NOA81) was injected to seal the injection hole.
[0092]
(D) Curing
UV light (400mW / cm by high pressure mercury lamp ² ) 156 to form a polymer dispersed liquid crystal 105.
[0093]
(E) Joining of light guide members
The light guide member 101 and the second light guide member 114 were joined to the upper surface of the flat light guide 117 using a photocurable adhesive. Further, an alkyd / melamine black coating was applied to a part of the surface of the light guide member as a total reflection light absorption film and a regular reflection light absorption film.
[0094]
Using the spatial light modulator manufactured as described above, image display was performed as follows.
Laser light (wavelength 670 nm) shaped to have a substantially rectangular cross section is made S-polarized light from the light incident portion 103 via the incident surface 100, and the individual electrodes are selectively selected by the drive element 151 according to the image data. When a voltage (15 V) is applied to 107, the spatially modulated output light is taken out from the second light emitting unit 116, and an enlarged projection image (64 tone) can be obtained on the screen by a projection lens (not shown). It was.
[0095]
【Effect of the invention】
According to the present invention, the refractive index variable substance is encapsulated between the light incident part through the light guide member and the reflection part that reflects the incident light entering from the light incident part, and the refractive index is reflected by applying a signal. The light reflected by the light is changed within a range where it can be totally reflected and not totally reflected by the light emitting part, and the totally reflected light is absorbed by the light absorption film, thereby preventing stray light. And an optical path switching element having a high S / N ratio can be provided.
[0096]
According to the present invention, since the optical path switching elements are arranged in an array, it is possible to provide a spatial light modulator having a simple structure, high durability, reduced member cost, and high light utilization efficiency.
[0097]
According to the present invention, since the image formed by the spatial light modulator is projected onto the screen, it is possible to provide an image display device with high durability, low cost and high light utilization efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical path switching element proposed in Japanese Patent Application No. 2001-187577.
FIG. 2 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a liquid crystal droplet size and a response speed.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a response speed measuring device.
FIG. 11 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. 12 is a diagram 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. 13 is a diagram for explaining an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram for explaining a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of a two-dimensional spatial light modulator.
FIG. 18 is a diagram for explaining another example of the manufacturing process of the two-dimensional spatial light modulator.
FIG. 19 is a plan view of a conventional spatial light modulator.
20 is a cross-sectional view of one rotating mirror of the spatial light modulator shown in FIG.
FIG. 21 is an operation explanatory diagram of an optical switching element proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-202222.
FIG. 22 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-171813.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Light guide member, 102 ... External substance, 103 ... Light incident part, 104 ... Light emitting part, 105 ... Refractive index variable substance, 106 ... Reflective member, 107 ... Metal film, 108 ... Insulator, 109 ... Substrate, 110 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Transparent electrode, 111 ... Sealing agent, 112 ... Liquid crystal molecule, 113 ... Photo detector, 114 ... Second light guide member, 115 ... Reflection part, 116 ... Second light emission part, 117 ... Flat plate light guide, 118 ... Reversely inclined surface, 119 ... Liquid crystal droplet, 120 ... Polymer matrix, 121 ... Laser, 122 ... Polarizer, 123, 124 ... Lens, 125 ... Analyzer, 126 ... Power meter, 127 ... Sample, 128 ... Reflection 129 ... Au electrode, 130 ... Si substrate, 131 ... polymer dispersed liquid crystal layer, 132 ... electric field, 134 ... light source, 135 ... collimating lens, 137 ... scanning mechanism, 138 ... projection lens, 39 ... Screen, 140, 150 ... Spatial light modulator, 151 ... Driving element, 152 ... Contact hole, 153, 154 ... Alignment film, 155 ... Liquid crystal / UV curable compound mixture, 156 ... UV, 190 ... Total reflection light Output part, 200... Total reflection light absorbing film.

Claims

A light incident part via the light guide member, a reflection part for reflecting incident light entering from the light incident part, and light for extracting the light reflected by the reflection part as outgoing light through the light guide member A signal input means for enclosing a refractive index variable substance in an optical path between the light incident part and the reflection part, and providing a signal to the refractive index variable substance to cause a refractive index change by an optical path switching element comprising an emission part And the light reflected by the reflecting portion is totally reflected at the interface between the light guide member and the external material in contact with the light guide member. In the optical path switching element that is in a range in which it is possible to take the state 2 and the second state in which the light is not totally reflected, the light totally reflected in the first state in which the light is totally reflected at the interface between the light guide member and air is absorbed. a light absorbing layer which is provided, further prior to a portion of the light guide member Optical path switching element characterized by providing a light absorbing layer for absorbing the light regularly reflected at the light incident portion.

Optical path switching device according to claim 1, characterized in that a second light emitting portion that can be issued to the outside through the second light guide member to the emitted light.

3. The optical path switching element according to claim 1, further comprising 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.

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. 4. The optical path switching element according to any one of 3 above.

The reflecting portion, to a unit element for applying a signal to said variable-refractive-index material, the light path switching device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a plurality of sets of surfaces.

Optical path switching element according to any one of claims 1 to 5 wherein the variable refractive index material is characterized by comprising the liquid crystal material.

The index variable material is an optical path switching element according to any one of claims 1 to 6 the liquid crystal material, characterized in that it comprises a liquid crystal / polymer composite dispersed held in a polymer matrix.

8. The optical path switching element according to claim 7, wherein the liquid crystal material of the refractive index variable substance is a droplet having a particle size of 1/5 or less of the wavelength of incident light.

Optical path switching element according to any one of claims 6 to 8 wherein the liquid crystal material all the liquid crystal molecules when no voltage is applied, characterized in that arranged in schematic way.

A spatial light modulator, wherein the optical path switching elements according to any one of claims 1 to 9 are arranged in a two-dimensional array.

A spatial light modulator, wherein the optical path switching elements according to any one of claims 1 to 9 are arranged in a one-dimensional array.

11. A spatial light modulator according to claim 10, comprising means for causing a light beam to enter the spatial light modulator, and means for projecting and displaying an image formed by the spatial light modulator on a screen. Image display device.

12. The spatial light modulator according to claim 11, means for causing a light beam to enter the spatial light modulator, and the light beam emitted from the spatial light modulator perpendicular to the alignment direction of the optical path switching elements of the spatial light modulator. What is claimed is: 1. An image display apparatus comprising: a scanning mechanism that scans in any direction; and means for projecting and displaying light beams emitted from the scanning mechanism on a screen.