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JP6942016B2 - Spatial light modulator and display device - Google Patents
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、空間光変調器及び表示装置に関する。 The present invention relates to spatial light modulators and display devices.

空間光変調器は、画素として光学素子(光変調素子)を用い、これをマトリクス状に2次元配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものである。空間光変調器は、ホログラフィ装置等の露光装置、ディスプレイ技術、記録技術等の分野で広く利用されている。また空間光変調器は、2次元で並列に光情報を処理することができることから光情報処理技術への応用も研究されている。 The spatial light modulator uses an optical element (optical modulation element) as a pixel and arranges the optical elements (optical modulation elements) in a matrix in two dimensions to spatially modulate the phase and amplitude of light. Spatial light modulators are widely used in fields such as exposure devices such as holographic devices, display technology, and recording technology. Further, since the spatial light modulator can process optical information in parallel in two dimensions, its application to optical information processing technology is also being studied.

空間光変調器の一例として、液晶の偏光を利用した表示装置が広く知られている。一方で、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分であるという問題がある。そこで、近年、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。 As an example of a spatial light modulator, a display device using polarized light of a liquid crystal is widely known. On the other hand, for holography and optical information processing, there is a problem that the response speed and the high definition of pixels are insufficient. Therefore, in recent years, the development of a magneto-optical spatial light modulator using a magneto-optical material, which is expected to have high-speed processing and the possibility of pixel miniaturization, has been promoted.

磁気光学式空間光変調器は、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または反射する際に、偏光の向きを変化(旋光)する効果を利用する。この効果は、磁性体を透過する場合はファラデー効果、磁性体で反射する場合はカー効果と言われる。 The magneto-optical spatial light modulator utilizes the effect of changing the direction of polarization (optical rotation) when light incident on a magneto-optical material, that is, a magnetic material, is transmitted or reflected. This effect is called the Faraday effect when it penetrates the magnetic material, and the Kerr effect when it reflects off the magnetic material.

例えば、特許文献1には、選択された画素(選択画素)における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素(非選択画素)における光変調素子の磁化方向を変化させ、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角(旋光角)に差を生じさせる磁気光学式光変調器が記載されている。 For example, in Patent Document 1, the magnetization direction of the light modulation element in the selected pixel (selected pixel) and the magnetization direction of the light modulation element in the other pixels (non-selected pixel) are changed, and the light emitted from the selected pixel is changed. A magneto-optical light modulator that causes a difference in the rotation angle (optical rotation angle) of its polarized light with the light emitted from the non-selective pixel is described.

このような磁気光学式光変調器の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する磁界印加方式や、光変調素子に電流を供給することにより電子のスピンを注入するスピン注入方式(例えば、特許文献1)が知られている。 As a method of changing the magnetization direction of such a magneto-optical light modulator, a magnetic field application method in which a magnetic field is applied to the light modulation element or a spin injection method in which electron spins are injected by supplying a current to the light modulation element. (For example, Patent Document 1) is known.

特許第4829850号公報Japanese Patent No. 4829850

磁界印加方式及びスピン注入方式の空間光変調器は、強磁性体の磁化方向の違いを利用して、透過又は反射する光の偏向の回転角の差を生み出す。しかしながら、強磁性体の磁化方向は、上向きと下向きの2方向しか原則的に選択できず、画素の選択又は非選択(ON/OFF)、すなわち2値の情報しか表示できない。そのため、強磁性体の磁化方向を利用した磁気光学式空間光変調器にとって、階調表示を行うことは難しかった。 The magnetic field application type and spin injection type spatial light modulators utilize the difference in the magnetization direction of the ferromagnet to produce a difference in the rotation angle of the deflection of the transmitted or reflected light. However, in principle, the magnetization direction of the ferromagnet can be selected only in two directions, upward and downward, and only pixel selection or non-selection (ON / OFF), that is, binary information can be displayed. Therefore, it has been difficult for a magneto-optical spatial light modulator that utilizes the magnetization direction of a ferromagnet to display gradation.

なお、磁気光学式空間光変調器でも、例えば、面積階調方式や時分割多重方式を用いれば階調表示自体を行うことは可能である。しかしながら、面積階調方式の一方式として、所定の領域内における選択又は非選択の素子の数で、擬似的に階調を表示する方式がある。この場合、所定の領域が一つの画素として扱われることになり、画像の解像度や輝度は低下する。一方で、解像度を維持したままで面積階調方式を実現するためには、画素を微細なサブ画素に分割することになる。この場合、微細化に伴ってサブ画素の形成が難しくなるほか、開口率が減少してさらなる輝度低下を招く。
また時分割多重方式は、一定時間ごとのフレーム内で画像を表示する時間を制御することで階調を表示する。しかしながら、時分割多重方式で高階調を表示しようとすると、1フレームの時間が長くなり、リアルタイムでの画像表示が難しくなる。
Even with a magneto-optical spatial light modulator, it is possible to display the gradation itself by using, for example, an area gradation method or a time division multiplexing method. However, as one method of the area gradation method, there is a method of displaying the gradation in a pseudo manner by the number of selected or non-selected elements in a predetermined area. In this case, a predetermined area is treated as one pixel, and the resolution and brightness of the image are lowered. On the other hand, in order to realize the area gradation method while maintaining the resolution, the pixels are divided into fine sub-pixels. In this case, it becomes difficult to form sub-pixels with miniaturization, and the aperture ratio decreases, resulting in a further decrease in brightness.
Further, in the time division multiplexing method, gradation is displayed by controlling the time for displaying an image within a frame at regular time intervals. However, when trying to display high gradation by the time division multiplexing method, the time of one frame becomes long, and it becomes difficult to display an image in real time.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、階調を有した変調を行うことができる光変調素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical modulation element capable of performing modulation having gradation.

本発明者らは、強磁性強誘電性材料(以下、「マルチフェロイック材料」ということがある。)のヒステリシスループの形状が、強磁性体のヒステリシスループの形状と比較してなだらかであることに着目した。そして、このヒステリシスループの形状の違いを利用することで、階調を有した変調を行うことができることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The present inventors have stated that the shape of the hysteresis loop of the ferromagnetic ferroelectric material (hereinafter, sometimes referred to as “multiferroic material”) is gentle as compared with the shape of the hysteresis loop of the ferromagnetic material. I paid attention to. Then, they have found that it is possible to perform modulation having gradation by utilizing the difference in the shape of the hysteresis loop.
That is, the present invention provides the following means for solving the above problems.

(1)第1の態様にかかる空間光変調器は、光が入射する入射面側に配置される透明な第1電極と、前記第1電極に対向する第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極の間に挟まれた強磁性強誘電体層と、を有する光変調素子と、前記光変調素子と電気的に接続され、前記光変調素子における強磁性強誘電体層の磁化の向きを所定の画素毎に制御する画素選択手段と、前記光変調素子の前記第1電極及び前記第2電極の一方または両方に接続され、電荷を蓄積できる付加容量体と、前記付加容量体と電気的に接続され、前記付加容量体に蓄積される電荷量を制御する制御部と、を備える。 (1) The spatial light modulator according to the first aspect includes a transparent first electrode arranged on the incident surface side where light is incident, a second electrode facing the first electrode, the first electrode, and the first electrode. An optical modulation element having a ferromagnetic strong dielectric layer sandwiched between the second electrodes is electrically connected to the optical modulation element, and the magnetization of the ferromagnetic strong dielectric layer in the optical modulation element is A pixel selection means that controls the orientation for each predetermined pixel, an additional capacitance body that is connected to one or both of the first electrode and the second electrode of the optical modulation element and can store electric charges, and the additional capacitance body. It is provided with a control unit that is electrically connected and controls the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body.

(2)上記態様にかかる空間光変調器において、前記光変調素子に入射させる光を偏光する第1偏光手段をさらに備えてもよい。 (2) In the spatial light modulator according to the above aspect, a first polarization means for polarizing the light incident on the light modulation element may be further provided.

(3)上記態様にかかる空間光変調器において、前記強磁性強誘電体層が、所定の画素毎に分離されていない構成でもよい。 (3) In the spatial light modulator according to the above aspect, the ferromagnetic ferroelectric layer may not be separated for each predetermined pixel.

(4)上記態様にかかる空間光変調器において、前記制御部が、前記付加容量体に印加する電位差を設定し、前記付加容量体に蓄積される電荷量を制御する電位制御部を備えてもよい。 (4) In the spatial light modulator according to the above aspect, even if the control unit includes a potential control unit that sets a potential difference applied to the additional capacitance body and controls the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body. good.

(5)上記態様にかかる空間光変調器において、前記制御部が、前記付加容量体に電圧を印加する時間を設定し、前記付加容量体に蓄積される電荷量を制御する時間制御部を備えてもよい。 (5) In the spatial light modulator according to the above aspect, the control unit includes a time control unit that sets a time for applying a voltage to the additional capacitance body and controls an amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body. You may.

(6)第2の態様にかかる表示装置は、上記態様にかかる空間光変調器を備える。 (6) The display device according to the second aspect includes the spatial light modulator according to the above aspect.

本発明の一態様に係る光変調素子及び空間光変調器によれば、階調を有した変調を行うことができる。 According to the light modulation element and the spatial light modulator according to one aspect of the present invention, modulation having gradation can be performed.

第1実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。It is sectional drawing of the spatial light modulator which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る空間光変調器の回路構成を模式的に示した図である。It is a figure which showed typically the circuit structure of the spatial light modulator which concerns on 1st Embodiment. マルチフェロイック特性を示す強磁性強誘電体層のヒステリシス曲線を示す図である。It is a figure which shows the hysteresis curve of the ferromagnetic ferroelectric layer which shows the multiferroic characteristic. 第1実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation of the spatial light modulator which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る空間光変調器の別の例の断面模式図である。It is sectional drawing of another example of the spatial light modulator which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る空間光変調器の回路構成を模式的に示した図である。It is a figure which showed typically the circuit structure of the spatial light modulator which concerns on 2nd Embodiment.

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。また、説明に用いる各図面において、共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may be enlarged for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of the respective components may differ from the actual ones. be. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention can be appropriately modified without changing the gist thereof. Further, in each drawing used for explanation, the same reference numerals are given to common components.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。第1実施形態に係る空間光変調器100は、光変調素子10と、画素選択手段20と、付加容量体50と、制御部60とを備える。空間光変調器100は、外部に接続された外部電源40により駆動し、第1偏光手段30(図4参照)によって照射される光を偏光する。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the spatial light modulator according to the first embodiment. The spatial light modulator 100 according to the first embodiment includes a light modulation element 10, a pixel selection means 20, an additional capacitance body 50, and a control unit 60. The spatial light modulator 100 is driven by an external power source 40 connected to the outside and polarizes the light emitted by the first polarizing means 30 (see FIG. 4).

光変調素子10は、磁気光学効果を利用した素子である。図1に示す光変調素子10は、第1電極1と、第2電極2と、強磁性強誘電体層3とを有する。 The light modulation element 10 is an element that utilizes the magneto-optical effect. The light modulation element 10 shown in FIG. 1 has a first electrode 1, a second electrode 2, and a ferromagnetic ferroelectric layer 3.

第1電極1は、強磁性強誘電体層3に入射する光の入射面側に配置される。第1電極1は、入射した光が強磁性強誘電体層3に届く程度に透明な透明電極である。 The first electrode 1 is arranged on the incident surface side of the light incident on the ferromagnetic ferroelectric layer 3. The first electrode 1 is a transparent electrode that is transparent to the extent that the incident light reaches the ferromagnetic ferroelectric layer 3.

第1電極1に用いられる透明電極材料としては、例えば、インジウム亜鉛酸化物(Indium Zinc Oxide:IZO)、インジウム−スズ酸化物(Indium Tin Oxide:ITO)、酸化スズ(SnO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化インジウム(In)、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物(Indium Gallium Zinc Oxide:IGZO)などを用いることができる。またグラフェン、カーボンナノチューブなども透明電極材料として適用できる。さらに、入射した光が強磁性強誘電体層3に届けば、薄膜の金属層等も透明電極材料として用いることができる。 Examples of the transparent electrode material used for the first electrode 1 include indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), and antimony-doped oxidation. Tin (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ), indium-gallium-zinc oxide (Indium Gallium Zinc Oxide: IGZO) and the like can be used. Graphene, carbon nanotubes and the like can also be applied as transparent electrode materials. Further, if the incident light reaches the ferromagnetic ferroelectric layer 3, a thin metal layer or the like can also be used as the transparent electrode material.

第2電極2は、第1電極1に対向して複数設けられている。第1電極1と第2電極2の間に電圧を印加することで、強磁性強誘電体層3のスピンの向きが変化する。
一つの第2電極2と第1電極1とにより挟まれ、一つの第2電極2と第1電極1との間の電界の影響を受ける領域が一つの画素となる。
A plurality of second electrodes 2 are provided so as to face the first electrode 1. By applying a voltage between the first electrode 1 and the second electrode 2, the spin direction of the ferromagnetic ferroelectric layer 3 changes.
The region sandwiched between the second electrode 2 and the first electrode 1 and affected by the electric field between the second electrode 2 and the first electrode 1 becomes one pixel.

第2電極2は、導電性を有すれば、その材質は特に問わない。例えば、第1電極に用いる材料の他、銅、アルミニウム、銀等を用いることができる。 The material of the second electrode 2 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, in addition to the material used for the first electrode, copper, aluminum, silver or the like can be used.

強磁性強誘電体層3は、面内に一様に延在する。すなわち、空間光変調器100の画素毎に分離されていない。なお、用途に応じては、変形例として、画素毎に強磁性強誘電体層3を区切ってもよい。 The ferromagnetic ferroelectric layer 3 extends uniformly in the plane. That is, it is not separated for each pixel of the spatial light modulator 100. Depending on the application, the ferromagnetic ferroelectric layer 3 may be divided for each pixel as a modification.

強磁性強誘電体層3は、マルチフェロイック材料を含む。マルチフェロイック材料とは、「磁気秩序」と「強誘電秩序」が共存する材料である。すなわち、強磁性と強誘電性を合せて持つ材料である。強磁性強誘電体層3がマルチフェロイック材料を含むことで、電場による磁化の方向制御及び磁場による電気分極の方向制御が可能である。 The ferromagnetic ferroelectric layer 3 contains a multiferroic material. A multiferroic material is a material in which "magnetic order" and "ferroelectric order" coexist. That is, it is a material having both ferromagnetism and ferroelectricity. Since the ferromagnetic ferroelectric layer 3 contains a multiferroic material, it is possible to control the direction of magnetization by an electric field and the direction of electric polarization by a magnetic field.

マルチフェロイック材料には、以下の一般式(1)で表記される物質を用いることができる。
(A1−w−x(L1−yーz ・・・(1)
一般式(1)において、A、B及びCは、それぞれBi、La、Tb、Pb、Y、Cr、Co、Ba、Lu、YbまたはEuのいずれかの元素である。
一般式(1)において、L、M及びNは、それぞれ、Fe、Mn、Ni、Ti、Cr、CoまたはVのいずれかの元素である。
一般式(1)において、w、x、y及びzは0〜1の実数であり、w+x及びy+zは、1を超えない。
一般式(1)において、sは1〜3の整数であり、tは1〜3の整数であり、nは3〜6の整数である。
As the multiferroic material, a substance represented by the following general formula (1) can be used.
(A w B x C 1- w-x) s (L y M z N 1-y over z) t O u ··· (1 )
In the general formula (1), A, B and C are elements of any one of Bi, La, Tb, Pb, Y, Cr, Co, Ba, Lu, Yb or Eu, respectively.
In the general formula (1), L, M and N are elements of Fe, Mn, Ni, Ti, Cr, Co or V, respectively.
In the general formula (1), w, x, y and z are real numbers 0 to 1, and w + x and y + z do not exceed 1.
In the general formula (1), s is an integer of 1 to 3, t is an integer of 1 to 3, and n is an integer of 3 to 6.

一般式(1)を満たす具体的な例としては、例えば、BiMnO、TbMnO、TbMn、YMnO、EuTiO、CoCr、Cr、BiMn0.5Ni0.5、BiFe0.5Cr0.5、La0.1Bo0.9MnO、La1−xBiNi0.5Mn0.5、Bi1−xBaFeO、(BiBaLa1−w−x(FeMn1−y、(BiBaLa1−w−x(FeMnTi1−yーz等が挙げられる。 Specific examples satisfying the general formula (1), for example, BiMnO 3, TbMnO 3, TbMn 2 O 5, YMnO 3, EuTiO 3, CoCr 2 O 4, Cr 2 O 3, BiMn 0.5 Ni 0. 5 O 3 , BiFe 0.5 Cr 0.5 O 3 , La 0.1 Bo 0.9 MnO 3 , La 1-x Bi x Ni 0.5 Mn 0.5 O 3 , Bi 1-x Ba x FeO , (Bi w Ba x La 1 -w-x) s (Fe y Mn 1-y) t O u, (Bi w Ba x La 1-w-x) s (Fe y Mn z Ti 1-y over z ) t O u, and the like.

図1に示す画素選択手段20は、MOS−FETである。画素選択手段20は、半導体基板21と、ゲート電極23と、ソース電極24と、ドレイン電極27と、絶縁体25、26とを有する。 The pixel selection means 20 shown in FIG. 1 is a MOS-FET. The pixel selection means 20 includes a semiconductor substrate 21, a gate electrode 23, a source electrode 24, a drain electrode 27, and insulators 25 and 26.

半導体基板21には、例えばシリコン等を用いることができる。図1に示す画素選択手段20は、p型ドーパントが添加された半導体基板21の一部に、n型ドーパントがドーピングされたソース領域22a、ドレイン領域22bを有する。 For the semiconductor substrate 21, for example, silicon or the like can be used. The pixel selection means 20 shown in FIG. 1 has a source region 22a and a drain region 22b in which an n-type dopant is doped in a part of a semiconductor substrate 21 to which a p-type dopant is added.

ゲート電極23は、半導体基板21と絶縁体25を介して配設される。ゲート電極23に電圧を印加することで、ソース領域22aとドレイン領域22bの間にチャネルが形成される。 The gate electrode 23 is arranged via the semiconductor substrate 21 and the insulator 25. By applying a voltage to the gate electrode 23, a channel is formed between the source region 22a and the drain region 22b.

ソース電極24は、外部電源40とソース領域22aとを接続する。ドレイン電極27は、ドレイン領域22bと第2電極2とを接続する。 The source electrode 24 connects the external power source 40 and the source region 22a. The drain electrode 27 connects the drain region 22b and the second electrode 2.

絶縁体25及び絶縁体26は、第2電極2、半導体基板21、ゲート電極23及びソース電極24の間に配設され、これらを互いに絶縁している。図では重なっているが、ドレイン電極27も、ゲート電極23及びソース電極24と絶縁されている。 The insulator 25 and the insulator 26 are arranged between the second electrode 2, the semiconductor substrate 21, the gate electrode 23, and the source electrode 24, and insulate them from each other. Although overlapping in the figure, the drain electrode 27 is also insulated from the gate electrode 23 and the source electrode 24.

付加容量体50は、第2電極2の強磁性強誘電体層3と反対側の面に接続されている。付加容量体50の第2電極2と反対側の面は、第3電極51に接続されている。第3電極51は、ビア53により第1電極1と接続されている。すなわち、図1では、ドレイン電極27から第2電極2に至った電流は、付加容量体50側と強磁性強誘電体層3側に分岐する。すなわち、光変調素子10の第2電極2に対して付加容量体50と強磁性強誘電体層3とは、並列に接続されている。また付加容量体50以外の部分において、第2電極2と第3電極51との間は、絶縁体26により絶縁されている。 The additional capacitance body 50 is connected to the surface of the second electrode 2 opposite to the ferromagnetic ferroelectric layer 3. The surface of the additional capacitance body 50 opposite to the second electrode 2 is connected to the third electrode 51. The third electrode 51 is connected to the first electrode 1 by a via 53. That is, in FIG. 1, the current from the drain electrode 27 to the second electrode 2 branches to the additional capacitance body 50 side and the ferromagnetic ferroelectric layer 3 side. That is, the additional capacitance body 50 and the ferromagnetic ferroelectric layer 3 are connected in parallel to the second electrode 2 of the light modulation element 10. Further, in the portion other than the additional capacitance body 50, the second electrode 2 and the third electrode 51 are insulated by the insulator 26.

付加容量体50には、絶縁体および誘電体材料を用いることができる。例えば、SiO(酸化シリコン)やSiN(窒化シリコン)、High−k材料であるTa(酸化タンタル)、HfO(酸化ハフニウム)、Y(酸化イットリウム)、TiO(酸化チタン)、HfAlON(窒素添加ハフニウムアルミネート)などを用いることができる。 Insulators and dielectric materials can be used for the additional capacitance body 50. For example, SiO 2 (silicon oxide), SiN (silicon nitride), High-k materials Ta 2 O 5 (tantalum oxide), HfO 2 (hafnium oxide), Y 2 O 3 (yttrium oxide), TiO 2 (oxidation). Titanium), HfAlON (nitrogen-added hafnium aluminate) and the like can be used.

これらの物質の中でも付加容量体50には、誘電率の高いものを用いることが好ましい。例えば、誘電率が5F/m以上であることが好ましく、10F/m以上であることがより好ましく、25F/m以上であることがさらに好ましい。誘電率の高い材料からなる付加容量体50は、多くの電荷を蓄積でき、高階調の表示を行うことができる。 Among these substances, it is preferable to use a substance having a high dielectric constant as the additional capacitance body 50. For example, the dielectric constant is preferably 5 F / m or more, more preferably 10 F / m or more, and even more preferably 25 F / m or more. The additional capacitance body 50 made of a material having a high dielectric constant can accumulate a large amount of electric charges and can display high gradation.

制御部60は、外部電源40と電気的に直列接続されている。
制御部60は、付加容量体50に蓄積される電荷量を制御する。付加容量体50に蓄積される電荷量は、付加容量体50に与える電位差により制御してもよいし、付加容量体50に電位差を与える時間により制御してもよい。例えば、電位差で制御する場合は、制御部60に電位制御部を設ける。また例えば、時間で制御する場合は、制御部60に時間制御部を設ける。制御部60は、電位制御部と時間制御部を両方備えてもよい。
The control unit 60 is electrically connected in series with the external power supply 40.
The control unit 60 controls the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body 50. The amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body 50 may be controlled by the potential difference given to the additional capacitance body 50, or may be controlled by the time for giving the potential difference to the additional capacitance body 50. For example, when controlling by a potential difference, a potential control unit is provided in the control unit 60. Further, for example, in the case of controlling by time, a time control unit is provided in the control unit 60. The control unit 60 may include both a potential control unit and a time control unit.

外部電源40は、公知の電源を用いることができる。外部電源40は、選択素子41を介して光変調素子10及び画素選択手段20に接続される。 As the external power supply 40, a known power supply can be used. The external power supply 40 is connected to the light modulation element 10 and the pixel selection means 20 via the selection element 41.

空間光変調器100は、公知の方法を用いて作製することができる。例えば、スパッタ等の成膜手段やフォトリソグラフィ等を用いることができる。 The spatial light modulator 100 can be manufactured using a known method. For example, a film forming means such as sputtering, photolithography, or the like can be used.

次いで、図1及び図2を用いて、空間光変調器100の電気的な動作について説明する。図2は、第1実施形態に係る空間光変調器の回路構成を模式的に示した図である。 Next, the electrical operation of the spatial light modulator 100 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 2 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the spatial light modulator according to the first embodiment.

強磁性強誘電体層3において、第1電極1と第2電極2に挟まれた領域が、一つの画素Rを形成する(図1参照)。図2では、複数の画素Rが二次元状に配列している。それぞれの画素Rには、一つの画素選択素子20Aが設けられている。画素選択素子20Aが複数集まったものが、図1における画素選択手段20に対応する。 In the ferromagnetic ferroelectric layer 3, the region sandwiched between the first electrode 1 and the second electrode 2 forms one pixel R (see FIG. 1). In FIG. 2, a plurality of pixels R are arranged two-dimensionally. Each pixel R is provided with one pixel selection element 20A. A collection of a plurality of pixel selection elements 20A corresponds to the pixel selection means 20 in FIG.

一つの画素選択素子20Aのソース電極24はソースラインSLに接続され、ゲート電極23はゲートラインGLに接続されている。また上述のようにドレイン電極27は、第2電極2に接続されている。 The source electrode 24 of one pixel selection element 20A is connected to the source line SL, and the gate electrode 23 is connected to the gate line GL. Further, as described above, the drain electrode 27 is connected to the second electrode 2.

ソースラインSLに流れる電流は、選択素子41によって制御される。ゲートラインGLに流れる電流は、第2選択素子42によって制御される。 The current flowing through the source line SL is controlled by the selection element 41. The current flowing through the gate line GL is controlled by the second selection element 42.

ある任意の画素Rに電圧を印加する場合を例に具体的に説明する。
まず、選択素子41により電圧を印加するソースラインSLを選択する。選択されたソースラインSLに接続されるソース電極24のそれぞれに外部電源40から電圧が印加される。
A case where a voltage is applied to an arbitrary pixel R will be specifically described as an example.
First, the source line SL to which the voltage is applied is selected by the selection element 41. A voltage is applied from the external power source 40 to each of the source electrodes 24 connected to the selected source line SL.

次いで、第2選択素子42により電圧を印加するゲートラインGLを選択する。選択されたゲートラインGLに接続されるゲート電極23に電圧が印加されることで、ゲート電極23と対向する半導体基板21にチャネルが形成される。チャネルが形成されると、ソース領域22aとドレイン領域22bとが接続される。 Next, the gate line GL to which the voltage is applied is selected by the second selection element 42. By applying a voltage to the gate electrode 23 connected to the selected gate line GL, a channel is formed on the semiconductor substrate 21 facing the gate electrode 23. Once the channel is formed, the source region 22a and the drain region 22b are connected.

すなわち、選択されたソースラインSLとゲートラインGLが交差する部分に位置する画素選択素子20Aにおいて、外部電源40から印加された電圧がチャネルを介して第2電極2に印加される。その結果、第1電極1と第2電極2の間に電位差が生じ、選択された画素R内の強磁性強誘電体層3に電圧が印加される。 That is, in the pixel selection element 20A located at the intersection of the selected source line SL and the gate line GL, the voltage applied from the external power source 40 is applied to the second electrode 2 via the channel. As a result, a potential difference is generated between the first electrode 1 and the second electrode 2, and a voltage is applied to the ferromagnetic ferroelectric layer 3 in the selected pixel R.

また制御部60は、第2電極2と第3電極51との間の付加容量体50に蓄積される電荷量を制御する。 Further, the control unit 60 controls the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body 50 between the second electrode 2 and the third electrode 51.

次いで、空間光変調が生じる空間光変調器の動作について説明する。図3は、マルチフェロイック特性を示す強磁性強誘電体層3のヒステリシス曲線を示す図である。横軸は印加された電場E又は磁場Hであり、縦軸は電場Eにより生じる磁化Mの大きさ又は磁場Hにより生じる分極Pの大きさである。 Next, the operation of the spatial light modulator in which spatial light modulation occurs will be described. FIG. 3 is a diagram showing a hysteresis curve of the ferromagnetic ferroelectric layer 3 exhibiting multiferroic characteristics. The horizontal axis is the applied electric field E or magnetic field H, and the vertical axis is the magnitude of the magnetization M generated by the electric field E or the magnitude of the polarization P generated by the magnetic field H.

図3に示すようにマルチフェロイック特性を有する強磁性強誘電体層3は、なだらかなヒステリシスループを有する。そのため、強磁性強誘電体層3に電圧Eaを印加した場合の磁化の大きさはMaとなるが、電圧Ebを印加した場合の磁化の大きさはMbとなる。また電圧を印加しない場合の磁化の大きさはMcとなる。すなわち、強磁性強誘電体層3の磁化の大きさは、強磁性強誘電体層3に加わる電場の大きさによって段階的に変わる。なお、図3において、所定の電圧を印加時の磁化は確率的に2状態を選択できるが、強磁性強誘電体層3の磁化を初期状態として一方向に飽和させておくことで、1状態に固定される。 As shown in FIG. 3, the ferromagnetic ferroelectric layer 3 having a multiferroic characteristic has a gentle hysteresis loop. Therefore, the magnitude of magnetization when the voltage Ea is applied to the ferromagnetic ferroelectric layer 3 is Ma, but the magnitude of magnetization when the voltage Eb is applied is Mb. The magnitude of magnetization when no voltage is applied is Mc. That is, the magnitude of magnetization of the ferromagnetic ferroelectric layer 3 changes stepwise depending on the magnitude of the electric field applied to the ferromagnetic ferroelectric layer 3. In FIG. 3, the magnetization when a predetermined voltage is applied can be stochastically selected from two states, but one state can be obtained by saturating the magnetization of the ferromagnetic ferroelectric layer 3 in one direction as an initial state. Is fixed to.

図4は、第1実施形態に係る空間光変調器の動作を説明するための模式図である。画素選択手段20は、何れの画素Rに電圧を印加するかを選択することができ、制御部60は付加容量体50に蓄積される電荷量を制御する。例えば、画素選択手段20によって電圧を印加する選択画素R1,R2を選択し、制御部60によって、選択画素R1,R2の付加容量体50A,50Bに蓄積する電荷を制御する。図4では、付加容量体50Aに蓄積された電荷量が、付加容量体50Bに蓄積された電荷量より多い場合を図示している。 FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the spatial light modulator according to the first embodiment. The pixel selection means 20 can select which pixel R to apply the voltage to, and the control unit 60 controls the amount of electric charge stored in the additional capacitance body 50. For example, the pixel selection means 20 selects the selection pixels R1 and R2 to which the voltage is applied, and the control unit 60 controls the charges accumulated in the additional capacitance bodies 50A and 50B of the selection pixels R1 and R2. FIG. 4 illustrates a case where the amount of electric charge stored in the additional capacitance body 50A is larger than the amount of electric charge stored in the additional capacitance body 50B.

選択画素R1,R2の近傍の強磁性強誘電体層3は、印加された電圧により分極する。選択画素R1,R2に印加される電圧の強度は、付加容量体50A,50Bに蓄積される電荷量によって異なる。付加容量体50A,50Bに蓄積される電荷は、選択画素R1,R2における電場に影響を及ぼすためである。 The ferromagnetic ferroelectric layer 3 in the vicinity of the selected pixels R1 and R2 is polarized by the applied voltage. The intensity of the voltage applied to the selected pixels R1 and R2 differs depending on the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance bodies 50A and 50B. This is because the electric charge accumulated in the additional capacitance bodies 50A and 50B affects the electric field in the selected pixels R1 and R2.

上述のように図4において、付加容量体50Aに蓄積された電荷量は、付加容量体50Bに蓄積された電荷量より多い。すなわち選択画素R1に印加される電圧(例えば、図3における電圧Ea)は、選択画素R2に印加される電圧(例えば、図3における電圧Eb)より大きくなる。その結果、選択画素R1に誘起された分極P1の分極率は、選択画素R2に誘起された分極P2の分極率より大きくなる。 As described above, in FIG. 4, the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body 50A is larger than the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body 50B. That is, the voltage applied to the selected pixel R1 (for example, the voltage Ea in FIG. 3) is larger than the voltage applied to the selected pixel R2 (for example, the voltage Eb in FIG. 3). As a result, the polarizability of the polarization P1 induced in the selected pixel R1 is larger than the polarizability of the polarization P2 induced in the selected pixel R2.

一方で、選択画素R1,R2近傍の強磁性強誘電体層3における磁化M1,M2は、分極P1,P2の影響を受け、磁化方向が変化する。選択画素R1,R2における磁化M1,M2の大きさは、それぞれMa,Mbとなる(図3参照)。 On the other hand, the magnetizations M1 and M2 in the ferromagnetic ferroelectric layer 3 near the selected pixels R1 and R2 are affected by the polarizations P1 and P2, and the magnetization direction changes. The magnitudes of the magnetizations M1 and M2 in the selected pixels R1 and R2 are Ma and Mb, respectively (see FIG. 3).

これに対し、選択画素R1,R2以外の非選択画素R3には電圧が印加されない。そのため、非選択画素R3はほとんど分極せず、分極P3の分極率は小さい。また非選択画素R3には電圧が印加されないため、非選択画素R3における磁化M3の大きさはMcとなる(図3参照)。 On the other hand, no voltage is applied to the non-selected pixels R3 other than the selected pixels R1 and R2. Therefore, the non-selective pixel R3 is hardly polarized, and the polarizability of the polarized P3 is small. Further, since no voltage is applied to the non-selective pixel R3, the magnitude of the magnetization M3 in the non-selective pixel R3 is Mc (see FIG. 3).

磁化方向が決定された複数の画素を有する光変調素子10に光を照射する。
光照射手段31から照射された光L1は、第1偏光手段30により特定の方向に偏光された偏光光L2となる。偏光光L2は、光変調素子10の第1電極1を透過し、強磁性強誘電体層3で反射又は回折する。反射又は回折する際に、画素の磁化の向きに応じて磁気光学カー効果により偏光光L2が旋光する。旋光光の回転角は、各画素Rの磁化の大きさによって異なる。
Light is applied to the light modulation element 10 having a plurality of pixels whose magnetization directions are determined.
The light L1 emitted from the light irradiating means 31 becomes polarized light L2 polarized in a specific direction by the first polarizing means 30. The polarized light L2 passes through the first electrode 1 of the light modulation element 10 and is reflected or diffracted by the ferromagnetic ferroelectric layer 3. When reflected or diffracted, the polarized light L2 is rotated by the magneto-optical Kerr effect according to the direction of magnetization of the pixel. The angle of rotation of the optical rotation depends on the magnitude of magnetization of each pixel R.

選択画素R1で反射又は回折した偏光光L2はカー回転角が−θkmaxだけ回転した旋光光L3となり、選択画素R2で反射又は回折した偏光光L2はカー回転角が−θk1だけ回転した旋光光L4となり、非選択画素R3で反射又は回折した偏光光L2はカー回転角が−θk0だけ回転した旋光光L5となる。 The polarized light L2 reflected or diffracted by the selected pixel R1 becomes the optical rotation L3 whose car rotation angle is rotated by −θ kmax, and the polarized light L2 reflected or diffracted by the selected pixel R2 is the optical rotation whose car rotation angle is rotated by −θ k1. The light L4 becomes the light L4, and the polarized light L2 reflected or diffracted by the non-selective pixel R3 becomes the optical rotation L5 whose car rotation angle is rotated by −θ k0.

例えば、旋光光L3,L4,L5の出射側に、旋光光L3,L4,L5のいずれかに対して90°の偏光設定の第2偏光手段32を設けると、第2偏光手段32を通過後の光の明るさは、旋光光L3,L4,L5のカー回転角によって異なる。第2偏光手段32を通過後の光の明るさは、カー回転角の大きい順に明るくなるため、旋光光L3、旋光光L4,旋光光L5の順となる。すなわち、空間光変調器100から出射する光の明るさを多値化することができる。 For example, if a second polarizing means 32 having a polarization setting of 90 ° with respect to any of the optical rotations L3, L4, and L5 is provided on the exit side of the optical rotations L3, L4, and L5, after passing through the second polarizing means 32. The brightness of the light varies depending on the car rotation angle of the optical rotations L3, L4, and L5. The brightness of the light after passing through the second polarization means 32 becomes brighter in descending order of the car rotation angle, so that the order is the optical rotation L3, the optical rotation L4, and the optical rotation L5. That is, the brightness of the light emitted from the spatial light modulator 100 can be made multi-valued.

またこれらの旋光光L3,L4,L5を干渉させると、ホログラフィ像等も得られる。このような変調した像やホログラフィ像を用いて、空間光変調器を表示装置として用いることもできる。 Further, when these optical rotations L3, L4, and L5 are interfered with each other, a holographic image or the like can be obtained. A spatial light modulator can also be used as a display device by using such a modulated image or a holographic image.

上述のように、第1実施形態に係る空間光変調器100は、制御部60により付加容量体50に蓄積される電荷量を制御し、画素R毎に印加される電圧を変えることができる。また強磁性強誘電体層3がなだらかなヒステリシスループを有することで、強磁性強誘電体層3に印加される電圧ごとに、空間光変調器100から出射する光の明るさを階調表示することができる。 As described above, the spatial light modulator 100 according to the first embodiment can control the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body 50 by the control unit 60 and change the voltage applied to each pixel R. Further, since the ferromagnetic ferroelectric layer 3 has a gentle hysteresis loop, the brightness of the light emitted from the spatial light modulator 100 is displayed in gradation for each voltage applied to the ferromagnetic ferroelectric layer 3. be able to.

また強磁性強誘電体層3は、画素Rごとに分離されていない。そのため、画素Rのサイズを印加する電圧強度によって自由に制御することができる。すなわち、よりシームレスな表示像を得ることができる。また画素Rを区切るためのブラックマトリックス等が不要であり、高い開口率を実現することができる。すなわち、高精細で高輝度なホログラフィ像を得ることができる。 Further, the ferromagnetic ferroelectric layer 3 is not separated for each pixel R. Therefore, the size of the pixel R can be freely controlled by the applied voltage strength. That is, a more seamless display image can be obtained. Further, a black matrix or the like for partitioning the pixels R is unnecessary, and a high opening ratio can be realized. That is, a high-definition and high-luminance holographic image can be obtained.

(第2施形態)
次に第2実施形態に係る空間光変調器について説明する。
図5は、第2実施形態に係る空間光変調器の断面模式図である。図6は、第2実施形態に係る空間光変調器の回路構成を模式的に示した図である。
(Second embodiment)
Next, the spatial light modulator according to the second embodiment will be described.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the spatial light modulator according to the second embodiment. FIG. 6 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the spatial light modulator according to the second embodiment.

図5及び図6に示すように、第2実施形態に係る空間光変調器101は、付加容量体50が光変調素子10に直列に接続されている点が、第1実施形態に係る空間光変調器100と異なる。 As shown in FIGS. 5 and 6, in the spatial light modulator 101 according to the second embodiment, the point that the additional capacitance body 50 is connected in series with the light modulation element 10 is the spatial light according to the first embodiment. Different from modulator 100.

図5に示すように、第3実施形態に係る空間光変調器101は、付加容量体50がドレイン電極27と、第2電極2の間に配設されている。直列に配設されているため、強磁性強誘電体層3にかかる電圧は、付加容量体50にかかる電圧分だけ小さくなる。 As shown in FIG. 5, in the spatial light modulator 101 according to the third embodiment, the additional capacitance body 50 is arranged between the drain electrode 27 and the second electrode 2. Since they are arranged in series, the voltage applied to the ferromagnetic ferroelectric layer 3 is reduced by the voltage applied to the additional capacitance body 50.

強磁性強誘電体層3の容量をC、付加容量体の容量をCとすると、強磁性強誘電体層3にかかる電圧Vは、V=E/(1+C/C)となる。ここで、Eは外部電源40が印加する電圧である。すなわち、付加容量体50に蓄積される電荷量を変えることで、強磁性強誘電体層3にかかる電圧を変えることができる。従って、第2実施形態にかかる空間光変調器102によれば、出射する光の明るさを階調表示することができる。 Assuming that the capacitance of the ferromagnetic ferroelectric layer 3 is C 1 and the capacitance of the additional capacitance layer is C 2 , the voltage V 1 applied to the ferromagnetic ferroelectric layer 3 is V 1 = E 1 / (1 + C 1 / C 2). ). Here, E 1 is a voltage applied by the external power supply 40. That is, the voltage applied to the ferromagnetic ferroelectric layer 3 can be changed by changing the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body 50. Therefore, according to the spatial light modulator 102 according to the second embodiment, the brightness of the emitted light can be displayed in gradation.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the configurations and combinations thereof in the respective embodiments are examples, and the configurations are added or omitted within the range not deviating from the gist of the present invention. , Replacements, and other changes are possible.

例えば、上記の実施形態にかかる空間光変調器は反射型であるが、透過型の空間光変調器としてもよい。透過型の空間光変調器は、ファラデー効果により各画素の旋光性が変化する。第2電極及び基板には、透明性を有するものを用いる。透明性を有する電極は、第1実施形態に係る第1電極と同様の物を用いることができ、透明性を有する基板は、SiO基板、MgO基板、サファイア基板などを用いることができる。 For example, the spatial light modulator according to the above embodiment is a reflective type, but may be a transmissive type spatial light modulator. In the transmissive spatial light modulator, the optical rotation of each pixel changes due to the Faraday effect. A transparent second electrode and substrate are used. As the transparent electrode, the same electrode as that of the first electrode according to the first embodiment can be used, and as the transparent substrate, a SiO 2 substrate, an MgO substrate, a sapphire substrate, or the like can be used.

また上記の実施形態にかかる空間光変調器は、画素選択手段がMOSFET構造を有するアクティブマトリクス構造である。しかしながら、画素選択手段は、アクティブマトリクス構造に限られず、単純マトリクス構造でもよい。 Further, the spatial light modulator according to the above embodiment has an active matrix structure in which the pixel selection means has a MOSFET structure. However, the pixel selection means is not limited to the active matrix structure, and may be a simple matrix structure.

1…第1電極、2…第2電極、3…強磁性強誘電体層、10…光変調素子、20…画素選択手段、20A…画素選択素子、21…半導体基板、22a…ソース領域、22b…ドレイン領域、23…ゲート電極、24…ソース電極、25,26…絶縁体、27…ドレイン電極、30…第1偏光手段、31…光照射手段、32…第2偏光手段、40…外部電源、41…選択素子、42…第2選択素子、50…付加容量体、51…第3電極、52…絶縁体、53…ビア、60…制御部、100,101…空間光変調器、R…画素、R1,R2…選択画素、R3…非選択画素、L1…光、L2…偏光光、L3,L4,L5…旋光光、M1,M2,M3…磁化、P1,P2,P3…分極 1 ... 1st electrode, 2 ... 2nd electrode, 3 ... ferromagnetic strong dielectric layer, 10 ... optical modulation element, 20 ... pixel selection means, 20A ... pixel selection element, 21 ... semiconductor substrate, 22a ... source region, 22b ... Drain region, 23 ... Gate electrode, 24 ... Source electrode, 25, 26 ... Insulator, 27 ... Drain electrode, 30 ... First polarizing means, 31 ... Light irradiation means, 32 ... Second polarizing means, 40 ... External power supply , 41 ... Selective element, 42 ... Second select element, 50 ... Additional capacitance, 51 ... Third electrode, 52 ... Insulator, 53 ... Via, 60 ... Control unit, 100, 101 ... Spatial light modulator, R ... Pixels, R1, R2 ... Selected pixels, R3 ... Non-selected pixels, L1 ... Light, L2 ... Polarized light, L3, L4, L5 ... Rotating light, M1, M2, M3 ... Dielectric, P1, P2, P3 ... Polarized

Claims (6)

光が入射する入射面側に配置される透明な第1電極と、前記第1電極に対向する第2電極と、前記第1電極及び前記第2電極の間に挟まれ、マルチフェロイック材料を含む強磁性強誘電体層と、を有する光変調素子と、
前記光変調素子と電気的に接続され、前記光変調素子における強磁性強誘電体層の磁化の向きを所定の画素毎に制御する画素選択手段と、
前記光変調素子の前記第1電極及び前記第2電極の一方または両方に接続され、電荷を蓄積できる付加容量体と、
前記付加容量体と電気的に接続され、前記付加容量体に蓄積される電荷量を制御する制御部と、を備える、空間光変調器。
A multiferroic material is sandwiched between a transparent first electrode arranged on the incident surface side where light is incident, a second electrode facing the first electrode, and the first electrode and the second electrode. An optical modulator having a ferromagnetic ferroelectric layer, including
A pixel selection means that is electrically connected to the light modulation element and controls the direction of magnetization of the ferromagnetic ferroelectric layer in the light modulation element for each predetermined pixel.
An additional capacitive body connected to one or both of the first electrode and the second electrode of the light modulation element and capable of accumulating charges.
A spatial light modulator comprising a control unit that is electrically connected to the additional capacitance body and controls the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body.
前記光変調素子に入射させる光を偏光する第1偏光手段をさらに備える、請求項1に記載の空間光変調器。 The spatial light modulator according to claim 1, further comprising a first polarization means for polarizing the light incident on the light modulation element. 前記強磁性強誘電体層が、所定の画素毎に分離されていない請求項1又は2に記載の空間光変調器。 The spatial light modulator according to claim 1 or 2, wherein the ferromagnetic ferroelectric layer is not separated for each predetermined pixel. 前記制御部が、前記付加容量体に印加する電位差を設定し、前記付加容量体に蓄積される電荷量を制御する電位制御部を備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の空間光変調器。 The space according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit includes a potential control unit that sets a potential difference applied to the additional capacitance body and controls the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body. Optical modulator. 前記制御部が、前記付加容量体に電圧を印加する時間を設定し、前記付加容量体に蓄積される電荷量を制御する時間制御部を備える、請求項1〜4のいずれか一項に記載の空間光変調器。 The invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the control unit includes a time control unit that sets a time for applying a voltage to the additional capacitance body and controls the amount of electric charge accumulated in the additional capacitance body. Spatial light modulator. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の空間光変調器を備えた表示装置。 A display device including the spatial light modulator according to any one of claims 1 to 5.
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