JP2002031788A

JP2002031788A - 光学装置

Info

Publication number: JP2002031788A
Application number: JP2000217184A
Authority: JP
Inventors: Eriko Matsui; 恵理子松居; Hirotaka Akao; 裕隆赤尾; Atsushi Toda; 淳戸田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2002-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】電界、電流を使わずに、光強度だけで励起し
て、光自らを制御し、高品質な表示機能を有し、大画面
化が可能であり、更には集合発光演算も行える光学装置
において、液晶素子を光スイッチとしてその効率を著し
く向上させた光学装置を提供すること。【解決手段】光導波路（又は光ファイバー）１と、こ
の光導波路（又は光ファイバー）１に交差した透明基板
２と、これらの交差部に配された液晶素子３とを具備
し、前記液晶素子３は強誘電性液晶を有し、そのプレチ
ルト角が３０．６°以下であり、前記透明基板２の光導
出面には深さλ／８．７７７４（λは導波光の波長）以
上のグレーティングを形成し、前記液晶素子３のスイッ
チオン時の実効屈折率と、前記光導波路１の屈折率の差
が０．０６４以下である、光学装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は少なくとも画像の光
学的表示機能と２次元光演算機能を有する光導波路型の
光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ディスプレイデバイス（表示装
置）は、マン−マシンインターフェース（man-machine-
inter-face）として、ますます需要が高まってきてお
り、大別して自発光型と受光型とに分類されている。即
ち、自発光型としては、CRT(cathode ray tube）、PDP
(プラズマディスプレイ）、ELD(エレクトロルミネセッ
センスディスプレイ）、VFD(蛍光表示管）、LED(発光ダ
イオード)などがある。また受光型としてはLCD(液晶デ
ィスプレイ）、ECD(エレクトロクロミックディスプレ
イ)、ＥＰＩＤ（電気泳動ディスプレイ）、ＳＰＤ（分
散粒子配向型ディスプレイ、ＴＢＤ（着色粒子回転型デ
ィスプレイ）などがある。これらのディスプレイはすべ
て、エレクトロニクスの発展によって高性能化してきて
おり、品質、価格ともに既に成熟段階にあったり、或い
は、早晩その段階に入るものと予想される。

【０００３】しかしながら、かかるエレクトロニクスを
駆使した高性能のディスプレイでも、その後の社会のニ
ーズや多様な消費者の好みの変化に十分応えるものとは
なっていない。たとえば、最近ではディスプレイパネル
をより大型化したいという要望が強くなっているが、こ
れに応えることができないでいる。その主な理由は、デ
ィスプレイパネルを大型化しようとすると、電極又はそ
の配線による電気抵抗が不可避的に上昇するからで、こ
れがパネルの大型化を阻む最大の要因となっており、デ
ィスプレイの画面サイズには自ずと限界がある。また、
ディスプレイの構成材料に硬質なものが多いことも、デ
ィスプレイを好みのサイズや形状にすることを困難なも
のにしている。

【０００４】そのほか、家庭用大型テレビジョンなどの
ディスプレイを例にとると、容積や消費電力が大きかっ
たり、ハイディフィニション信号に追従するときに応答
スピードが足りないなど、省スペース・省電力・高画質
の点から、改善の余地が残されている。

【０００５】そこで、本発明者は、そうした問題が生じ
ないディスプレイデバイスを開発すべく、エレクトロニ
クスとは根本的に異なるフォトニクス（電界を用いず光
のプロセスを扱う技術）の本格的な利用に着眼した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】単にフォトニクスを利
用したごく低効率のものなら、１９７０年代に、光導波
路と光スイッチとを組み合わせた薄型ディスプレイが提
案されたことがある（USPat.3,838,908 "Guided lilght
structures employing liquid crystal" D. J.Channi
n, RCA Corporation, Oct. 1,1974)。この薄型ディスプ
レイは液晶（ネマテック）によって屈折率を制御し、光
導波路の全反射を変化させようというものであるが、当
時はレーザやＬＥＤなどの良好な光源がなく、光導波路
の光伝送損失が多大であり、光スイッチに用いた液晶の
配向制御なども十分に研究されていなかったので、（R.
F. Bush and P.E. Seiden, "Liquid crystal display
device", IBM Tech. Disc. bull. Vol. 14, No. 1, p.2
23, 1971)、実用性に甚だしく欠け、商品化されたこと
はなかった。

【０００７】更に、１９８０年代を経て１９９０年代に
入ると、レーザの研究が盛んに行われるようになり、そ
れを光源に用いた光導波路型ディスプレイデバイスも、
提案されるようになった。その代表例は、ＲＧＢ３原色
のガスレーザを各々一光源づつとし、そこからレーザ光
を光ファイバ内に導波させて、液晶スイッチにより光を
オンオフするというものである。しかしながら、これも
実用の域に達していない。

【０００８】このように、フォトニクスを利用した光導
波路型ディスプレイは、意外と研究の歴史が古いにもか
かわらず、未だかつて実用化、商品化されたことはな
く、特に、光スイッチ効果の高い実用的な光導波型ディ
スプレイの開発が、現在、各方面から期待されている。

【０００９】本発明の目的は、そうした要望に応え得る
光導波型の光学装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【００１０】即ち、本発明の第１の光学装置は、光源か
ら光を光導波路内に入射させ、この入射光を導波させた
のち、この導波光を液晶素子からなる光スイッチにより
外部へ導出する光学装置において、前記液晶素子のスイ
ッチオン時の実効屈折率と、前記光導波路の屈折率との
差が、０．０６４以下であることを特徴とする。

【００１１】また、本発明の第２の光学装置は、光源か
ら光を光導波路内に入射させ、この入射光を導波させた
のち、この導波光を液晶素子からなる光スイッチにより
外部へ導出する光学装置において、前記液晶素子の配向
膜と液晶分子とのなす角（プレチルト角）が３０．６度
以下であることを特徴とする。

【００１２】また、本発明の第３の光学装置は、光源か
ら光を光導波路に入射させ、この入射光を導波させたの
ち、この導波光を液晶素子からなる光スイッチにより透
明基板を介して外部へ導出する光学装置において、前記
透明基板の光導出面にλ／８．７７７４以上（ただし、
λは導波光の波長）の深さの溝が形成されていることを
特徴とする。

【００１３】また、本発明の第４の光学装置は、光源か
ら光を光導波路に入射させ、この入射光を導波させたの
ち、この導波光を液晶素子からなる光スイッチにより透
明基板を介して外部へ導出する光学装置において、前記
透明基板の光導入面にλ／８．７７７４以上（ただし、
λは前記に同じ）の深さの溝が形成されていることを特
徴とする。

【００１４】本発明によると、光源から光を光導波路内
に入射させ、この入射光を導波させたのち、この導波光
を液晶素子からなる光スイッチにより外部へ導出する構
成の光学装置において、前記液晶素子のスイッチオン時
の実効屈折率と、前記光導波路の屈折率との差が０．０
６４以下であるので、光の透過率が高い特徴がある。

【００１５】また、本発明の光学装置においては、前記
液晶素子の配向膜と液晶分子とのなすプレチルト角が３
０．６度以下に規制されるので、液晶スイッチは光の全
反射を制御することができる。

【００１６】また、本発明によると、光源から光を光導
波路内に入射させ、この入射光を導波させたのち、この
導波光を液晶素子により透明基板を介して外部へ導出す
る構成の光学装置において、前記透明基板の光導出面又
は光導出面にλ／８．７７７４以上の深さの溝が形成さ
れているので、視野角を考慮して光取出し効果が高い特
徴がある。

【００１７】以上、本発明の光学装置はディスプレイデ
バイスとして、更には２次元光演算装置等として顕著な
スイッチ効果を奏するものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明においては、前記液晶素子
のスイッチオン時の実効屈折率と、前記光導波路の屈折
率との差を０．００５以下とすることが好ましい。こう
すれば、光の透過率はより高くなる。

【００１９】前記光源としては、光導波路用の公知の光
源が使用できるが、好ましいのは、低波長の半導体レー
ザ等のレーザとか、発光ダイオードなどである。

【００２０】本発明では、光スイッチとして用いる液晶
素子の液晶に強誘電性液晶を用いることが、後述する如
く、特に望ましい。強誘電性液晶は、液晶分子の長軸方
向と短軸方向に２値の屈折率を有し、その値は通常、
１．４８〜１．７２の範囲にある。

【００２１】本発明に光スイッチとして用いる液晶素子
は、駆動電極による電界に応答動作するものであり、特
に前記光導波路内の光を液晶素子の屈折率の変化により
液晶素子外へ選択的に取出せるものが好ましい。

【００２２】本発明は種々の実施形態をとり得るが、実
用上、好ましい光学装置は、単数又は複数の光導波路
に、単数又は複数の透明基板もしくは透明ファイバーが
交差し、この交差部分に光スイッチとして液晶素子が配
設もしくは形成された構成を有するものである。ただ
し、透明基板や透明ファイバーは単独に使用されるのみ
ならず、透明電極等と積層した構造で用いることもでき
る。

【００２３】一方、本発明において、導波光を液晶素子
のスイッチ作用により外部へ導出する操作を、光導出面
又は光導入面にλ／８．７７７４以上の深さの溝を形成
した透明基板を介して行うことができるが、その場合、
前記溝が単位面積（たとえば一画素）あたり一種類以上
のピッチで形成されていることが好ましい。

【００２４】更に、これらの溝を含む光導出面又は光導
入面には、高分子薄膜が積層されていることが望まし
い。

【００２５】次に、本発明を好ましい実施の形態に基づ
いて適宜、図面を参照しながら詳しく説明する。

【００２６】図２１は、本発明の好ましい実施形態であ
る光学装置の要部を示し、図２２はその全体の概略的平
面図である。各画素では平板型の光導波路１にたとえば
ポリカーボネート（ＰＣ）で構成された透明基板２が交
差しており、これらの交差部Ｓには光スイッチング用の
液晶素子３が設けられている。平板型の光導波路１もた
とえばポリカーボネートなどの透明な材料で構成されて
いる。光導波路１の上面と透明基板２の下面には図示し
ない電極が形成されており、これらの間は電源５を設け
た配線で接続されている。

【００２７】液晶素子３の構造は図２４に示すとおり
で、これは光導波路１と透明基板２との間に形成され、
透明電極３ａ、３ａの対向面に配向膜３ｂ、３ｂが位置
し、これらの間に液晶３ｃが充填されている。３ｄはス
ペーサ、３ｅは接着剤で、透明基板２の上面には、空気
側へ光を効率よく取出すためのグレーテング（回折格
子）Ｇが形成されている。

【００２８】光導波路１の前方には光源６が配され、こ
れにはたとえば半導体レーザ（ＬＤ）などが用いられ
る。

【００２９】光源６から出射されたレーザ光は、入射面
１Ｚから光導波路１内に入り、同路内を全反射しながら
導波され、交差部Ｓに至る。交差部Ｓには光スイッチン
グ素子として液晶素子３が設けてあり、ここで導波光は
全反射モードから放射モードに変えられる。つまり、液
晶素子３にかける印加電圧を変化させると、導波光が光
導波路１から液晶を介して外部へ出射される。

【００３０】光源６としては、半導体レーザ６ａに代表
されるレーザの他に、発光ダイオードや電界発光素子な
ども使用できる。いずれにせよ、これらの光源を用いる
ことにより、発光スペクトルの半値幅の狭い、かつ色純
度の良好な三原色ディスプレイを提供することができ
る。

【００３１】また、光導波路１としてはポリカーボネー
ト以外にプラスチック等の柔軟材料が好ましく用いら
れ、また平板型に限らず、図２５（Ａ）に示すようにフ
ァイバー型１ａも用いてよい。したがって、本発明の光
学装置は薄型化、軽量化を実現することができる。な
お、同図では光導波路１ａの上面は長手方向に平坦に形
成され、メタル配線を施して抵抗を下げている。

【００３２】図２３は上述した光学装置の使用形態を示
すもので、装置の構成材料にプラスチック等の柔軟材料
を使用することによって、迫力のある画面を有する１２
０度曲面ディスプレイ（Ａ）を始め、半球型ディスプレ
イ（Ｂ）から全球型ディスプレイ（Ｃ）、不使用時に巻
き上げることのできるディスプレイ（Ｄ）、さらには衣
服や帽子用の、あるいはカップ等の物品表面に適用する
粘着ディスプレイ（Ｅ）にいたるまで、様々な表示用途
に用いることができる。

【００３３】本発明の光学装置は薄型に加えて大型化、
高精細化が可能であり、光源を効率よく使用する自発光
型であるため、非常に明るく、大画面で必要とされるコ
ントラスト比５００：１も容易に実現できる。

【００３４】（１）液晶材料の選択一画素の表示時間は、インターレース信号のＨＤＴＶの
場合、アクティブ素子などを使用せずに、線順次駆動を
すると１／３０Ｈｚ／１１２５ｌｉｎｅ＝２９．６μｓ、プログレッシブ信号のＵＸＧＡの場合は、１／６０Ｈｚ／１２００ｌｉｎｅ＝１４μｓとなる。本発明に好ましく用いる強誘電性液晶は、印加
電界に対して液晶分子自体が持つ永久双曲子が作用する
ため、マイクロ秒オーダーの応答速度が可能であり、ハ
イディフィニションに代表される高精細なディスプレイ
の駆動に十分対応できる（ネマティック液晶の応答速度
は、ミリ秒オーダ）。

【００３５】強誘電性液晶は、液晶分子長軸方向と短軸
方向に２値の屈折率をもち、その値は通常１．４８〜
１．７２程度であるので、光導波路の屈折率は、その複
屈折間にあればよく、例えばポリカーボネートは屈折率
が１．５８５であるから、光導波路の構成材料として適
切である。

【００３６】光導波路型ディスプレイは、出射光のオフ
は液晶スイッチの低い方の屈折率を利用して全反射を、
オンは液晶スイッチの高い方の屈折率を利用して光を透
過させるものである。全反射条件からは、液晶の低い方
の屈折率と、光導波路の屈折率との差が大きいことが、
入射角制限を緩めることになり、高効率になることは容
易に予測できる。そこで、液晶の高い方の屈折率の最適
条件を求めるために以下の計算を行った。

【００３７】図２０に示す液晶スイッチと光導波路との
積層構造において、液晶スイッチの屈折率と光導波路の
屈折率差を変化させた時の、フレネルの透過率の計算を
行った。

【数１】

【数２】 θ₁は光導波路への入射角、ｎ_fは光導波路の屈折率、Δ
ｎは液晶スイッチの屈折率と光導波路の屈折率との差、
Ｔ_Pはｐ（TE）偏光の透過率、Ｔ_Sはｓ（TM）偏光の透過
率である。計算結果を図１及び図２に示す。

【００３８】どちらの結果も、Δｎは小さいほど、入射
角は小さいほど、透過率が高くなる傾向を示している。
したがって、液晶材料の屈折率のうち、高い方はなるべ
く光導波路の屈折率に近く、低い方はなるべく光導波路
の屈折率と差が大きい方が効率が良くなるということに
なる。特に、ディスプレイの画質を左右する透過率の観
点からみると、５０％以上の透過率を得るためには、Ｔ
Ｅ偏光の時にはΔｎは０．０８、ＴＭ偏光の時にはΔｎ
は０．０６４、９０％以上の透過率を得るためには、Ｔ
Ｅ偏光・ＴＭ偏光ともにΔｎは０．００５以上であるこ
とが必要である。

【００３９】（２）液晶材料の配向方向と導波方向の最
適化液晶スイッチとしての実効屈折率は、液晶材料自体の屈
折率と、チルト角θ、プレチルト角θｐと導波方向との
関係で決定される。最初に、プレチルト角θｐがゼロ度
（導波ｙ−ｚ平面と液晶分子が平行）のときの実効屈折
率の計算方法を図３示す。配向方向はφ＋θとなる。例
えば液晶材料１（ｎ_O：１．４８９，ｎ_e：１．６６６）
を使用した場合、電界印加時のチルト角が２０°である
と、φ（光導波方向と、その方向に最も近い時の液晶の
分子長軸方向との成す角）と液晶の実効屈折率の関係
は、図４に示すようになることがわかる。上記結果か
ら、この液晶材料のφは１０°以上、すなわち、配向方
向と導波方向の角度は３０°以上であることが望ましい
ことがわかる。スイッチオフの時の全反射角は、ｓｉｎ
^-1（１．４９４／１．５８５）＝７０．５°以上、スイ
ッチオンの時の透過率は（ｎ^ON _OFF＝１．５８６）９
９．９９９５％となる。

【００４０】プレチルト角θ_Pがゼロ度ではない場合
は、上記の式のｎ_eがｚ−ｙ平面への射影となるため、
ｎ_eｃｏｓθ_Pとなる。

【数３】この式から、今回のような光導波路型ディスプレイにお
いて、液晶スイッチが光の全反射を制御可能にするため
には、ｎ_eff ^OFF<n_f<n_eff ^ON が必要条件となる。よって、プレチルト角の範囲は３
０．６°以下となる。

【００４１】（３）光取出しのためのグレーティング作
製光導波方向ｚ軸に対し、ｘ軸方向と対面にあたる透明基
板２（例えば、光導波路と同じＰＣシート）の光導出面
に非常に細かなやすりを用いてグレーティングＧを作製
することを考える。下記に高効率グレーティングを作製
するための、理想的な条件の計算結果を示す。

【００４２】最初に、空気層の方へ出射する２ビーム結
合（光導波路側へも半分程度出射してしまう）と、導波
路方向へのみ出射する１ビーム結合のどちらが効率であ
るか計算する。１ビーム結合の方が光が全部導波路側へ
出射することになるわけなので、効率が良いように考え
られるが、空間周波数と放射ビーム数の関係を計算する
と、図５に示すように空気の屈折率ｎ_sが１．００の場
合、１ビーム結合はありえない。逆に、この結果を用い
て１ビーム結合するための構造は、光導波路に有機高分
子を使用する限り、ｎ_fが３．０以上になることはあり
得ないので、図６に示す部分の屈折率ｎ_cとｎ_sの差を大
きくする以外に方法は無いように思われる。例えば、光
導波路側にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）層１０（屈
折率ｎ＝１．５２）などの高分子薄膜を積層する工夫な
どが考えられる。

【００４３】ｎ_sが１．５２の場合、空間周波数と放射
ビームの関係は図８のようになり、光導波路側への１ビ
ーム結合の解が存在する。１ビーム結合では、構造に煩
雑さが増すものの存在可能であることがわかった。

【００４４】次に複数ビーム結合時と１ビーム結合時の
グレーティングの最適化の計算結果を示す。ｉ）複数ビーム結合（光導波路の外側は空気層）図５の結果をもとに、最適なグレーティングピッチΛを
求めた。結果を図９に示す。Λは、導波光波長にも依存
するが、０．３〜１．５μｍピッチが好ましい。またΛ
は出射角度も決定するので、そちらも計算した。その結
果を図１０に示す。視野角の依存性無く、いろいろな角
度に出射するためには、Λは０．２〜１．２μｍピッチ
までさまざまな値を取る必要がある。また各色における
入射角と出射角の関係を計算した。その結果を図１１〜
図１３に示す。

【００４５】入射角度が大きいほど、同じグレーティン
グピッチでもさまざまな出射角がとれる。ただし、入射
角度が大きくなると図１と図２に示すように透過率が低
下する。

【００４６】ii）１ビーム結合同様に、Λと透明基板側への出射角の計算を行った。そ
の結果を図１４〜図１７に示す。視野角の依存性無く、
いろいろな角度に出射するためには、Λは０．２〜数１
０μｍピッチまでさまざまな値を取る必要があり、複数
ビーム結合よりもピッチに多くのパリエーションが必要
となる。入射角が大きくなると、光導波方向への視野角
が狭くなってしまう。

【００４７】グレーティングの放射は、誘電率分布の変
化で起こる。そのため、グレーティング深さｈとグレー
ティング材質ｎ_gの屈折率の間には、次の関係がある
（図１８参照）。

【数４】ここで、ｋ：波数、Ｎ：等価屈折率、ε_gc:(ＧとＣとの
平均誘電率)、ｎ_gc(ＧとＣとの平均屈折率)、ａ：（グ
レーティングの山部分）（図６も参照）。ｈ＜ｈ_c。で
は、散乱強度は単調増加になり、その強度はｈ²に比例
する（「光集積回路」西原浩他著、オーム社）。ｈ_c
＜ｈでは飽和し、一定値となる。

【００４８】光導波路とグレーティング材料を有機物に
した場合、光導波路の屈折率は、液晶材料の複屈折率範
囲を超えることはできないため１．４８＜ｎ_f＜１．７
２となり、導波光の入射角は５９．３７°以上９０°未
満である。また、グレーティング材料が有機物であれ
ば、１．３０＜ｎｇ＜１．８０となる。これらの範囲か
ら、λ／８．７７７４＜ｈ_c（λ：導波光波長）である
ことが求まるので、今回のようなグレーティングにより
光をｘ軸方向に出射させるためには、グレーティングの
深さは、λ（導波光波長）／８．７７７４以上であるこ
とが条件となる。例えば、光導波路の屈折率、グレーテ
ィング材の屈折率ともに１．５８５であり、赤色レーザ
（６３２．８ｎｍ）を光源とし、入射角が７０°、ａ＝
０．５である場合、ｈ_cは０．１４８１μｍと計算され
る。

【００４９】実際の作製例としては、複雑な工程は液晶
の配向を乱す可能性があるので（ＰＣ基板は薄く液晶の
配向が難しいことに留意）、液晶セルを作製する前のＰ
Ｃ基板にやすり等で一方向に傷をつけることなどがあ
る。例えば、やすりは、＃２０００、＃５０００、＃８
０００、＃１００００などの細かさがよい。擦る回数を
１〜３０回まで変えてグレーティングを作製し、導波光
量がどの程度散乱するかを測定した。この方法で作製し
たグレーティングでは、サインカーブの溝ができ、上記
のａは０．５となった。また、各々のサンプルのグレー
ティング深さｈをαステップで測定し、それらの結果を
比較した（図１９参照）。これらの測定値は計算結果と
よく一致している。

【００５０】４０インチ以上の大型ディスプレイを作製
するにあたり、液晶の配向を画面全体にわたって均一に
行うのが難しい場合は、図２６に示す光学装置（透明電
極３ａの上面には透明基板が積層されているが、図示省
略する）のように、画素部分のみに空隙を残し、あとは
低屈折率のポリマーで覆ってもよい。その際、液晶は注
入では行わず、塗布型で行う。画素面積は、１００イン
チであっても１ｍｍ²程度であるので、液晶の配向が容
易となる。

【００５１】本発明は前述した実施形態に限定されな
い。たとえば、グレーティングＧを透明基板２に形成す
るときは、光導出面に限らず、光導入面側に形成するこ
とができる。又、そのグレーティングＧを含む光導入面
にＰＶＡ層などの高分子薄膜１０を形成してもよい（図
７参照）。

【００５２】

【実施例】次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明は、この実施例に何ら限定される
ものではない。

【００５３】図２１、図２２及び図２５（Ｂ）に示す如
き光学装置を次のようにして作製した。まず、光導波路
及びこれに直交させる透明基板の材料として、三菱エン
プラ社製ユーピロシリーズのポリカーボネートシート
（ｎ_f：１．５８５）を用いた。

【００５４】また、光スイッチ用の液晶素子の作製に
は、液晶材料として、ジャパンエナジー社製の強誘電性
液晶Ｍ６２３４４（ｎ_o：１．４８９、ｎ_e：１．６６
６）を選択し、配向膜の形成にはポリビニルアルコール
（ｎ＝５００）の１０重量％の水溶液を使用し、この乾
燥膜にラビング処理を施した。そして、前記ポリカーボ
ネートシートは通常の液晶パネルと比べ非常に薄く柔軟
性に富むため、スイッチ部分には十分なスペーサを導入
することが必要であると考え、スペーサとして１．５μ
ｍ径の真し球を選択し、これをエタノールに分散させ
て、ポリカーボネートシート上にスピンコートした。ス
ピンコートの条件は、５００ｒｐｍで４秒、３０００ｒ
ｐｍで２０秒である。

【００５５】なお、前記透明基板の光導出面にグレーテ
ィングを作製したが、これは＃２０００のヤスリを用い
て、１０〜２０回、一方向に擦って作製した。

【００５６】光源には、赤色・緑色・青色半導体レー
ザ、すなわちＡｌＧａＩｎＰ系III−VI族、ＧａＮ系III
−V族発光デバイスを用いた。これらのデバイスの偏光
方向が光導波路にＴＥモードで入射するように配置し、
光学接着剤でカップリングした。

【００５７】前記液晶素子の駆動には２Ｈｚ短形波を１
０Ｖ印加した。その結果、前記液晶素子の光スイッチ作
用により、導波光が前記透明基板を介してＸ軸方向に高
速で出射オンオフすることが確認できた。

【００５８】

【発明の作用効果】以上、本発明の光学装置は、液晶素
子のスイッチオン時の実効屈折率と光導波路の屈折率と
の差、及び液晶分子のプレチルト角がそれぞれ適正に特
定されているために、光の透過率が高く、且つ光の全反
射の制御が可能であり、また透明基板の光導入面又は光
導出面に適正なグレーティングが施されているので、視
野角を考慮に入れた光取出し効果が高い。

【００５９】したがって、本発明の光学装置はディスプ
レイデバイスとして、あるいは２次元光演算装置として
用いる場合、顕著なスイッチ効果を奏することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光学装置において、液晶ス
イッチの屈折率と光導波路の屈折率との差と、ＴＥ偏光
の透過率との関係を示すグラフである。

【図２】同、液晶スイッチの屈折率と光導波路の屈折率
との差と、ＴＭ偏光の透過率との関係を示すグラフであ
る。

【図３】同、液晶スイッチの実効屈折率を計算するた
め、液晶分子の配向方向を示す図である。

【図４】同、液晶スイッチにおけるφ（光導波方向と、
その方向に最も近い時の液晶の分子長軸方向とのなす角
度）と実効屈折率との関係を示すグラフである。

【図５】同、液晶スイッチにおけるグレーティング（カ
ップラ）の空間周波数と放射ビーム数との関係を示す図
である。

【図６】同、液晶スイッチにおけるグレーティングの構
造を示す断面図である。

【図７】本発明の別の実施例における、液晶スイッチの
グレーティングの構造を示す断面図である。

【図８】同、液晶スイッチのグレーティングにＰＶＡ膜
を積層した場合の空間周波数と放射ビーム数の関係を示
す線図である。

【図９】同、液晶スイッチにおいて、放射ビーム数とグ
レーティングピッチΛとの関係を示すグラフである。

【図１０】同、液晶スイッチにおいて、グレーティング
ピッチと空気側への出射角との関係を示すグラフであ
る。

【図１１】同、液晶スイッチにおいて、入射角を変えた
場合のグレーティングピッチと空気側への光（６３２．
８ｎｍ）の出射角との関係を示すグラフである。

【図１２】同、液晶スイッチにおいて、入射角を変えた
場合のグレーティングピッチと空気側への光（５１０ｎ
ｍ）の出射角との関係を示すグラフである。

【図１３】同、液晶スイッチにおいて、入射角を変えた
場合のグレーティングピッチと空気側への光（４６０ｎ
ｍ）の出射角との関係を示すグラフである。

【図１４】同、液晶スイッチにおいて、グレーティング
ピッチと基板側への出射角との関係を示すグラフであ
る。

【図１５】同、液晶スイッチにおいて、入射角を変えた
場合のグレーティングピッチと基板側への光（６３２．
８ｎｍ）の出射角との関係を示すグラフである。

【図１６】同、液晶スイッチにおいて、入射角を変えた
場合のグレーティングピッチと基板側への光（５１０ｎ
ｍ）の出射角との関係を示すグラフである。

【図１７】同、液晶スイッチにおいて、入射角を変えた
場合のグレーティングピッチと基板側への光（４６０ｎ
ｍ）の出射角との関係を示すグラフである。

【図１８】グレーティングの１例の構造を示す構成図で
ある。

【図１９】グレーティング深さと光散乱強度との関係を
示すグラフである。

【図２０】液晶スイッチと光導波路との積層構造を示す
断面図である。

【図２１】本発明の一実施例を示す光学装置の概略構成
図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。

【図２２】本発明の他の実施例を示す光学装置の概略平
面図である。

【図２３】本発明の光学装置の使用形態の各例を示す模
式図である。

【図２４】本発明の一実施例による光学装置の要部を示
す断面図である。

【図２５】本発明の光学装置の概略構造を示す斜視図で
ある。

【図２６】本発明の他の実施例を示す光学装置の斜視図
である。

【符号の説明】

１…平板型光導波路、１ａ…ファイバー型光導波路、２
…透明基板、３…液晶素子、３ａ…透明電極、３ｂ…配
向膜、３ｃ…液晶、３ｄ…スペーサ、３ｅ…接着剤、５
…電源、６…光源、１０…高分子膜、Ｇ…グレーティン
グ（回折格子）、Ｓ…交差部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者戸田淳東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 2H049 AA03 AA13 AA32 AA43 AA62 AA65 2H088 EA02 EA33 EA63 GA04 GA17 HA11 HA28 HA30 JA17 KA05 KA14 MA02 MA06 2K002 AA07 AB04 AB07 AB10 BA06 CA14 DA06 EA07 EB04 EB08 HA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から光を光導波路内に入射させ、こ
の入射光を導波させたのち、この導波光を液晶素子から
なる光スイッチにより外部へ導出する光学装置におい
て、前記液晶素子のスイッチオン時の実効屈折率と、前
記光導波路の屈折率との差が、０．０６４以下である光
学装置。
【請求項２】前記液晶素子のスイッチオン時の実効屈
折率と、前記光導波路の屈折率との差が０．００５以下
である、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】前記光源がレーザである、請求項１に記
載の光学装置。
【請求項４】前記レーザが半導体レーザである、請求
項３に記載の光学装置。
【請求項５】前記光源が発光ダイオードである、請求
項１に記載の光学装置。
【請求項６】前記液晶素子の液晶が強誘電性液晶であ
る、請求項１に記載の光学装置。
【請求項７】単数又は複数の前記光導波路と；この光
導波路に交差した単数又は複数の透明基板もしくは透明
ファイバーと；前記光導波路と前記透明基板もしくは透
明ファイバーとの交差部に配設又は形成され、前記光ス
イッチとして駆動電極による電界に応答動作する前記液
晶素子と；を具備した、請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】前記光導波路内の光を、前記液晶素子の
屈折率の変化によりこの液晶素子外へ選択的に取出せる
ようにした、請求項１に記載の光学装置。
【請求項９】光源から光を光導波路内に入射させ、こ
の入射光を導波させたのち、この導波光を液晶素子から
なる光スイッチにより外部へ導出する光学装置におい
て、前記液晶素子の配向膜と液晶分子とのなす角（プレ
チルト角）が３０．６度以下である、光学装置。
【請求項１０】前記光源がレーザである、請求項９に
記載の光学装置。
【請求項１１】前記レーザが半導体レーザである、請
求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】前記光源が発光ダイオードである、請
求項９に記載の光学装置。
【請求項１３】前記液晶素子の液晶が強誘電性液晶で
ある、請求項９に記載の光学装置。
【請求項１４】前記光導波路内の光を、前記液晶素子
の屈折率の変化によりこの液晶素子外へ選択的に取出せ
るようにした、請求項９記載の光学装置。
【請求項１５】単数又は複数の前記光導波路と；この
光導波路に交差した単数又は複数の透明基板もしくは透
明ファイバーと；前記光導波路と前記透明基板もしくは
透明ファイバーとの交差部に配設又は形成され、前記光
スイッチとして駆動電極による電界に応答動作する前記
液晶素子と；を具備した、請求項９に記載の光学装置。
【請求項１６】光源から光を光導波路に入射させ、こ
の入射光を導波させたのち、この導波光を液晶素子から
なる光スイッチにより透明基板を介して外部へ導出する
光学装置において、前記透明基板の光導出面にλ／８．
７７７４以上（ただし、λは導波光の波長）の深さの溝
が形成されている、光学装置。
【請求項１７】前記光導出面に前記溝が単位面積あた
り一種類以上のピッチで形成されている、請求項１６に
記載の光学装置。
【請求項１８】前記光源がレーザである、請求項１６
に記載の光学装置。
【請求項１９】前記レーザが半導体レーザである、請
求項１８に記載の光学装置。
【請求項２０】前記光源が発光ダイオードである、請
求項１６に記載の光学装置。
【請求項２１】前記液晶素子の液晶が強誘電性液晶で
ある、請求項１６に記載の光学装置。
【請求項２２】単数又は複数の前記光導波路と；この
光導波路に交差した単数又は複数の透明基板もしくは透
明ファイバーと；前記光導波路と前記透明基板もしくは
透明ファイバーとの交差部に配設又は形成され、前記光
スイッチとして駆動電極による電界に応答動作する前記
液晶素子と；を具備した、請求項１６に記載の光学装
置。
【請求項２３】前記光導波路内の光を、前記液晶素子
の屈折率の変化によりこの液晶素子外へ選択的に取出せ
るようにした、請求項１６に記載の光学装置。
【請求項２４】光源から光を光導波路内に入射させ、
この入射光を導波させたのち、この導波光を液晶素子か
らなる光スイッチにより透明基板を介して外部へ導出す
る光学装置において、前記透明基板の光導入面にλ／
８．７７７４以上（λは導波光の波長）の深さの溝が形
成されている、光学装置。
【請求項２５】前記光導入面に前記溝が単位面積あた
り一種類以上のピッチで形成される、請求項２４に記載
の光学装置。
【請求項２６】前記光源がレーザである、請求項２４
に記載の光学装置。
【請求項２７】前記レーザが半導体レーザである、請
求項２６に記載の光学装置。
【請求項２８】前記光源が発光ダイオードである、請
求項２４に記載の光学装置。
【請求項２９】前記液晶素子の液晶が強誘電性液晶で
ある、請求項２４に記載の光学装置。
【請求項３０】単数又は複数の前記光導波路と；この
光導波路に交差した単数又は複数の透明基板もしくは透
明ファイバーと；前記光導波路と前記透明基板もしくは
透明ファイバーとの交差部に配設又は形成され、前記光
スイッチとして駆動電極による電界に応答動作する前記
液晶素子と；を具備した、請求項２４に記載の光学装
置。
【請求項３１】前記光導波路内の光を、前記液晶素子
の屈折率の変化によりこの液晶素子外へ選択的に取出せ
るようにした、請求項２４に記載の光学装置。
【請求項３２】前記透明基板の光導入面に高分子薄膜
が積層されている、請求項１６に記載の光学装置。
【請求項３３】前記透明基板の前記光導入面に高分子
薄膜が積層されている、請求項２４に記載の光学装置。