JP2002520675A

JP2002520675A - フォトクロミック層を有する光モジュレータ

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Publication number: JP2002520675A
Application number: JP2000560481A
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Inventors: ハンプ，ノルベルト
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Filing date: 1999-07-15
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Abstract

(57)【要約】【課題】制御光で光学的に活性化され、信号光を変調するためのフォトクロミック層を有する光モジュレータを提供する。【解決手段】この光モジュレータ（１）はフォトクロミック層（１５）のための少なくとも１つの光学的に透明な基板（１３）と、制御光を波長選択的に反射させる少なくとも１つのフィルター層（１４）とを有する。このフィルター層はフォトクロミック層（１５）を透過した制御光を逆反射させるために設けられている。この反射性フィルター層（１４）は制御光がフォトクロミック層（１５）を２回透過する際、フォトクロミック材料の光化学的変換のために制御光が効果的に利用されるように設けられている。更に、この反射性フィルター層（１４）は変調された信号光から制御光を分離する機能を有し、それにより変調された信号光が制御光による有意な干渉なしに評価できるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、制御光により光学的に活性化し得る信号光を変調するためのフォト
クロミック層と、このフォトクロミック層のための光学的に透明な少なくとも１
つの基板とを有する光変調器（光モジュレータ）に関する。

【０００２】（背景技術）この種の光モジュレータは光学的にアドレス可能な（即ち、アドレスで呼び出
せる、以下同様）空間的光モジュレータとも言われている。このフォトクロミッ
ク層は３次元的でなく２次元的でのみ光学的にアドレス可能であるが、平面的光
モジュレータでなく空間的光モジュレータと通常、呼ばれている。このような光
モジュレータを以下、ＯＡＳＬＭと略記する。

【０００３】フォトクロミック層は制御光からの情報を信号光へ伝達する役割を果たすもの
である。所定の第１の光学的波長の制御光で照射されたとき、フォトクロミック
層はその照射領域で反応し、特定の光学的特性の変化、特に光吸収性の変化がも
たらされ、第２の光学的波長の信号光を生じさせる。例えば、制御光はフォトク
ロミック層に明暗のコントラスト画像を投影するのに使用することができる。こ
の場合、フォトクロミック層はそのコントラスト画像に対応して、制御光により
照射されて領域を超えて信号光に対する吸光能のセッティングを生じさせる。従
って、このように制御光により光学的に活性化されたフォトクロミック層に対し
、信号光が照射された場合、このフォトクロミック層から出て来る信号光は吸収
コントラストパターンに対応する変調を有することになる。従って、この制御光
からの情報は経時的変化を伴って平面的な形で信号光へ伝達されることになる。
このフォトクロミック層に向けられる信号光はフォトクロミック層の全光入射領
域を同時にカバーする拡張された光束であってもよい。これは制御光についても
同様である。しかし、関連する情報を、偏向性制御光ビームの助けを借りてフォ
トクロミック層に書き込むことも可能である。同様に、情報の読込み又は削除を
目的として信号光ビーム又は消去光ビームを用い、これをフォトクロミック層に
対し行又は列毎に走査することも可能である。

【０００４】フォトクロミック材料の複合をこのような用途のために使用することも考慮さ
れてきている。本質的なフォトクロミック材料の分類の概略およびそれらのよく
知られた代表例が文献、ＳｔｕｄｉｅｓｉｎＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｓ
ｔｒｙ，“Ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｓｍ−ＭｏｌｅｃｕｌｅｓａｎｄＳｙｓ
ｔｅｍｓ”Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ｖｏｌ．４０，１９９０に開示されている。他の
フォトクロミック材料、例えば合成無機又は有機フォトクロミックに加えて、紫
膜の形態の細菌ロドプシン（以下、ＢＲと略記する）がフォトクロミック層を形
成するための特に興味深い物質として注目されている。この紫膜は細菌ロドプシ
ンの天然の２次元結晶型について用いられる形態である。脂質および細菌ロドプ
シンからのいわゆる紫膜のデザインについては、文献、Ｑｕａｒｔ．Ｒｅｖ．Ｂ
ｉｏｐｈｙｓ．，２４（１９９１），４２５−４７８、Ｏｅｓｔｅｒｈｅｌｔら
、に多くの例が示されており、これを参照することができる。

【０００５】とりわけ、以下の５つの理由により細菌ロドプシンは、ここに述べる適用に特
に適している。

【０００６】（ｉ）ＢＲは幾つかの光活性状態を伴った非常に効率的な光化学反応の点で独
特なものであり、これにより光化学的に書き込んだり削除したりすることが可能
となる。

【０００７】（ｉｉ）ＢＲは特に可逆性が高く、ダイナミックメモリでの使用に適している
。（ｉｉｉ）ＢＲの長寿命の比吸光性およびこれらの状態間の屈折率の差が非
常に大きく、信号光の良好な変調が達成される。

【０００８】（ｉｖ）細菌ロドプシンは強い異方性の発色団を有し、従って偏光選択性変調
に適している。

【０００９】（ｖ）ＢＲの野生型（wild type）とは別に、遺伝子技術を使用して作られ異
なったアミノ酸配列を有するＢＲの変異体および／又はレチニリデンラジカルと
は化学的に異なった分子を発色団として含み、野生型とは異なった他のスペクト
ル特性および／又は他の光活動性、例えば異なる吸光特性および／又は実質的に
長寿命のフォトインターメジエートを有する変異体の全シリーズが現在、入手可
能である。

【００１０】上記（ｖ）に特定した材料グループは以下にＢＲ変異体として表す。この細菌
ロドプシン又はＢＲの用語は細菌ロドプシンの野生型又はＢＲ変異体の１つを意
味するものとここでは理解されたい。更に、この細菌ロドプシン又はＢＲの用語
は、ここではモノマー状ＢＲおよび紫膜型のＢＲの双方を意味するものとして用
いられている。ＢＲ変異体は種々の方法で得ることができる。突然変異細菌ロド
プシンおよびＢＲ類似体、すなわち、野生型のレチニリデンラジカルとは異なる
発色団の存在で象徴されるものの公知の製造方法の概略については、文献、Ｂｉ
ｒｋｈａｕｓｅｒ，Ｂｏｓｔｏｎ，第３章、“Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ−ａｎｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｖｉａｐｈｏｔｏｓ
ｅｎｓｉｔｉｖｅｐｒｏｔｅｉｎｓ”，Ｎ．Ｖｓｅｖｏｌｄｏｖ，（１９８８
）に記載されている。技術的に関心のある典型的なＢＲ変異体で野生型ＢＲのア
ミノ酸組成物を変性させることにより得られるものは、いわゆるＭ状態の寿命が
長くなったもの、例えば位置（position）９６のアスパラギン酸が置き換えられ
、除去され、あるいは他のアミノ酸の除去によりその位置で置き換えされたもの
、又は高い確率で９−シス−レチナールの形成を伴ったもの、例えば位置（posi
tion）８５のアスパラギン酸が置き換えられ、除去され、あるいは他のアミノ酸
の除去によりその位置で置き換えされたものである。技術的に関心のある典型的
なＢＲ変異体で野生型ＢＲのレチニリデンラジカルを類似分子により置き換えさ
せることにより得られるものは、例えば４−ケトレチナールおよびジヒドロレチ
ナールである（Ｓｈｅｖｅｓら、Ｂｉｏｃｈｅｍ．，２４，１９８５，１２６０
−１２６５）。なお、アミノ酸組成物の変性と発色団の置き換えの組合せも又、
ＢＲ変異体の用語の範疇として理解されるべきことを明白に指摘することができ
る。

【００１１】ＢＲの可能性および特性は当業者に公知であり、種々の光学的情報処理技術に
おけるＢＲの適用についての出願に影響を与えている。

【００１２】光学的活性成分はＯＡＳＬＭ中のＢＲ層により形成される。この光学的変調は
、細菌ロドプシンが波長λBの光の照射により当初の状態Ｂ（約５７０ｎｍの波
長で最大吸収を示す）から少なくとも１つの他のスペクトル的に異なる状態へ転
換されるという事実に基づくものである。野生型ＢＲのフォトサイクルの最長寿
命状態はＭ状態として示される（約４１０ｎｍの波長で最大吸収を示す）。波長
λMの光はその状態を光化学的に当初のＢに変換させるのに使用することができ
る。従って、λBの波長領域の光は変化させられ、若しくは制御され、さもなく
ば、λMの波長領域の光でのＢＲ層の同時の照射により逆となり、この場合ＢＲ
層は媒介物として用いられる。

【００１３】この場合、変調の程度は、ＢＲ層における光照射によりもたらされるフォトク
ロミック光学的吸収の変化の度合い、Ｂ−Ｍ間のフォトトランスフォーメーショ
ンの量子収量、更にこれら２つの光照射の強度および波長に左右される。ＢＲの
偏光感応性光化学反応のため、２つの波長又は波長領域の偏光状態の相対位置も
同様に変調のレベルにおいて役割を果たしている。更に、変調の目的のために同
じく利用できる局所的屈折率は吸光変調に比例して変調される。

【００１４】ＯＡＳＬＭは、長い間、ビーム路において画像および情報の光学的処理を目的
とする活性の光学的部材として知られており、振幅、相、更にもし適当であれば
、空間的に広がった光波領域の偏光を制御光源の強度の関数として制御ないし変
調するために使用されて来た。

【００１５】ＢＲおよび光学的情報処理におけるＢＲの適用可能性の概略については、とり
わけ、文献、Ｑｕａｒｔ．Ｒｅｖ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．，２４（１９９１），４２
５−４７８，Ｄ．Ｏｅｓｔｅｒｈｅｌｔら；Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．，９６（
１９９２），７７８８−７７９２，Ｄ．ＺｅｉｓｅｌおよびＮ．Ｈａｍｐｐ；Ｐ
ｒｏｃｅ．ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，１７３２（１９９３
），２６０−２７０，Ｎ．Ｈａｍｐｐら；および“Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ−ａｎｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｖｉａｐｈｏｔ
ｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐｒｏｔｅｉｎｓ”，（１９９８），Ｎ．Ｖｓｅｖｏｌ
ｏｄｏｖ，ＢｉｒｋｈａｕｓｅｒＢｏｓｔｏｎに記述がなされている。

【００１６】ＢＲ層に記憶されている光学的データのホログラフィ的書込みおよび読出しを
目的としてビーム路での空間的光モジュレータの使用については、文献、Ａｎｎ
．Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ＩＥＥＥＥｎｇ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．Ｓｏｃ．１２，Ｎ
ｏ．４，（１９９０），１７８８−１７８９、Ｒ．Ｒ．Ｂｉｒｇｅら、に記載さ
れている。

【００１７】ＢＲ層に基づいたもので、光学的画像修正のため、特に光学的エッジ強化のた
め空間的周波数フィルターとして使用されている空間的光モジュレータについて
は、同じく、文献、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１６（１９９１）６５１−６５３、Ｒ．
Ｔｈｏｍａｌら、に記載されている。

【００１８】ＢＲ層を活性素子として含むペロト−ファブリ（Ｐｅｒｏｔ−Ｆａｂｒｙ）共
振器に基づく特定の空間的光モジュレータについては、米国特許Ｎｏ．５，６１
８，６５４に記載されている。

【００１９】公知の光モジュレータは互いに対向して平行に設けられた２つの面平行半透明
ミラーを有している。ミラー間隔Ｌおよびミラー間の媒体の屈折率ｎが与えられ
たとき、共振条件、Ｌ＝Ｎ λir／2 nに相当するファブリ−ペロト干渉計は波
長λirの光に対し実質的に完全に透明である。これは、個々に見ればミラーは共
振波長λirの光に対し高い反射率を有しているに違いないであろうがそうなる。
米国特許Ｎｏ．５，６１８，６５４に記載の課題の場合、共振器ミラー間のフォ
トクロミック層の屈折率は、波長λirの信号光のための共振条件を適宜満たすた
め波長λvの制御光で照射することにより変えられる。このようにして、干渉計
光モジュレータの透光率は全体として信号光λirのために変えられ、従って、信
号光は変調される。屈折率を変化させるのに必要な制御光がフォトクロミック層
に到達し、機能するようにするため、公知のモジュレータでは共振ミラーが制御
光に対してできるだけ高い透光率で透明であることが必要である一方、各共振ミ
ラーの信号光に対する反射率はファブリ−ペロト干渉計の機能的原理に従ってで
きるだけ高くなければならなかった。

【００２０】ファブリ−ペロト干渉計の原理に従って機能する光モジュレータの例について
は、ＤＥ−Ａ１９３５８８１および米国特許Ｎｏ．４，８３４，５１１に記載
されている。ファブリ−ペロト干渉計の原理を利用したこれら光モジュレータの
全てを機能させるためには、部材の幾何学的関係が精密に厳守されることが要求
され、特に、共振条件を満たすようにセットされた共振ミラー間の間隔は厳守さ
れなければならない。これらミラーを相互に平行位置に維持すること、並びにモ
ジュレータ全体に亘ってミラー間の間隔の変動を回避することも問題を生じさせ
ていた。公知の光モジュレータにおいて厳守する必要のある上述の幾何学的条件
として、上記の干渉計の原理を利用した光モジュレータの場合において無振動で
かつ、サーモスタティック（恒温）な設計が通常、要求される。

【００２１】ＢＲ層を使用した光モジュレータについての更なる詳細については、文献、Ｐ
ｒｏｃ．ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，１６６２（１９９２）
，１８６−１９６，Ｒ．Ｂ．Ｇｒｏｓｓら；Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１８（１９９４
），１３７３−１３７５，Ｑ．Ｗ．Ｓｏｎｇら；およびＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．１９
（１９９４），２４８−２５０，Ｈ．ＴａｋｅｉおよびＮ．Ｓｈｉｍｉｚｕから
知ることができよう。

【００２２】（発明の概要）本発明は、特性が改善された光学的にアドレス可能な空間的光モジュレータに
基づいた一体的光学部材であって、光学的画像化、光学ディスプレイシステム、
情報記憶および処理のための光学システム、およびホログラフィック測定および
処理システムなどのためにビーム路において能動スイッチおよび／又は制御部材
として様々な形で使用することができる光学部材を開発することを目的としてな
されたものである。

【００２３】初めに述べた型の光モジュレータから始まって、この目的は以下の事実により
本発明により達成される。すなわち、この光モジュレータは少なくとも１つのフ
ィルター層を有し、このフィルター層はフォトクロミック層を透過した制御光を
逆反射する目的のため波長選択的形式で制御光を反射させるものである。ここで
、このフィルター層は制御光に関し少なくとも８０％の反射率を有する。

【００２４】制御光は光モジュレータの制御光入口側からフォトクロミック層に達し、フォ
トクロミック層中を浸透する。反射フィルター層は制御光入口側とは反対のフォ
トクロミック層の側に位置し、制御光が再びフォトクロミック層に逆反射される
ようになっている。その結果、制御光はフォトクロミック材料の光化学的変換（
光変換）のためにより効果的に利用されることになる。なぜならば、制御光はフ
ォトクロミック層を２度通過し、フォトクロミック層内の制御光路はそれにより
二重のものとなる。このようにして、フォトクロミック層の強度依存的変調度が
実質的に改善される。これにより経済的に有利となる。なぜならば、より低い出
力の制御光源を用いることができ、コスト的により有効となる。これは特にレー
ザーを制御光源として使用する場合に当て嵌まる。その他、或る制御光源につい
ての所定の変調度を達成するためのＯＡＳＬＭの面積当たりの必要なＢＲ量が減
少される。これにより経済的利点が得られる。なぜならば、特に遺伝子的に変え
られた細菌ロドプシンは高価であるからである。

【００２５】しかし、この反射フィルター層は、フォトクロミック層の光学的活性化のため
の制御光の有効利用の機能に限られるものでなく、変調された信号光から制御光
を大きく分離する機能をも有し、これはフォトクロミック層で変調された信号光
を光モジュレータの光出口側へ向けて通過させ、制御光を反射率で左右されつつ
反対方向へ反射させることによりなされる。従って、変調された信号光は殆ど干
渉されずに制御光により利用することができる。この考えは、フォトクロミック
層を“記述”する制御光ビームとして比較的強いレーザービームが使用され、フ
ォトクロミック層の視覚観察が光モジュレータの信号光出口側から行われるよう
にした場合、あるいは光感応性媒体、例えば感光層が光モジュレータの下流側の
信号光ビーム路に置かれた場合に特に有意義なものとなる。

【００２６】本発明の光モジュレータは、上述のような公知の光モジュレータ、即ちファブ
リ−ペロト干渉計の原理を利用して機能し、制御光の反射率をできるだけ小さく
したミラーを有するものと比較して多くの利点を有する。その利点としては、設
計が簡単であり、層の寸法およびフィルター層間の間隔がそれほど厳密である必
要がないことが挙げられる。

【００２７】本発明の光モジュレータによれば、恒温調整は要求されない。なぜならば、線
膨脹作用が光モジュレータの機能にそれほど悪影響を与えないからである。従っ
て、本発明の光モジュレータの機能は通常の温度変化により害されることはない
。更に、本発明の光モジュレータの場合、フォトクロミック層の厚みを可なり自
由に選択することができるため、誤差の厳守などに課せられる生産技術上の要求
は僅かである。本発明の光モジュレータの各層の厚みの変動に関する大きな自由
度は比較的大きな光モジュレータ面積の実現を容易にする。

【００２８】更に、本発明の構成の場合、多色信号光で操作することも可能である。

【００２９】制御光を反射するフィルター層は好ましくはフォトクロミック層と基板との間
に配置され、フォトクロミック層に直接、接して設けられる。フォトクロミック
層と反射フィルター層とが直接的に結合されているという事実により、ＯＡＳＬ
Ｍの有用な解像度を減少させるようなビームの実質的ずれ（ｏｆｆｓｅｔ）を防
止することを可能にする。従って、フォトクロミック層と反射フィルター層との
直接的結合は光学的部材の節減を可能にし、経済的利点と本システム全体の寸法
を減少させることになる。

【００３０】更に、干渉制御光がフォトクロミック層の下流側で直ちに除去されるため、下
流の信号光ビーム路における制御光成分を実質的に減少させることができ、それ
により信号−ノイズ比を改善することができる。更に、内部インターフェースの
数、従って反射損失が減少するという事実からも信号−ノイズ比の更なる改善が
もたらされる。

【００３１】反射フィルター層は最大反射率の波長について少なくとも９９％の反射率を有
することが好ましい。それにより変調信号光から制御光をほぼ完全に分離するこ
とが可能となる。

【００３２】フォトクロミック層は、活性成分として細菌ロドプシンを含むことが好ましい
。フォトクロミック層として特に好ましいものは、細菌ロドプシンの野生型（
wild form）の変異体を含むものであり、これはより高い感光性および／又は野
生型の使用期間よりも最も長寿命の中間体の使用期間を有する。特に具体的には
アミノ酸位置（個数）８５（amino acid position 85）が変性された変異体、ア
ミノ酸位置９６（amino acid position 96）が変性された変異体、ジヒドロレチ
ナール又は４−ケトレチナールが発色団として機能している変異体、又はジヒド
ロレチナール又は４−ケトレチナールが発色団として機能し、かつ、前記アミノ
酸位置８５および／又は９６が変性された変異体を含むものが好ましい。

【００３３】本発明によるＯＡＳＬＭは特に、少なくとも一側において可視光の広い帯域の
亘って作用する抗反射層を有することができる。

【００３４】更に、少なくとも基板とは反対のフォトクロミック層の側に可視光に透明な保
護層を適用することが好都合である。

【００３５】本発明の１つの展開として、第２の波長選択的反射層を設けることもできる。
この第２の波長選択的反射層は上記第１の反射フィルター層と異なる波長選択的
反射率を有するものとする。更に、はっきりした選択的反射がなされる２又はそ
れ以上の波長領域を有する塗布層の場合でも本質的に同様の結果を得ることがで
きる。

【００３６】本発明の特に好ましい展開として、反射フィルター層と反対のフォトクロミッ
ク層の側に、信号光を波長選択的に反射させ、フォトクロミック層を浸透した信
号光を逆反射させるフィルター層を光モジュレータが有するようにしてもよい。
フォトクロミック層の両側にそれぞれ反射フィルターを有するそのような光モジ
ュレータは、例えば後述のような非コヒーレント／コヒーレント変換、又は同じ
く後述のような振動数変換のような興味深い用途に適した光学的部材として用い
ることができる。

【００３７】種々の適用のため、最初に述べたタイプの光モジュレータは特に興味深いもの
である。これはフォトクロミック層を浸透した信号光を逆反射させるため、信号
光を波長選択的に反射させる唯一のフィルター層を有するものである。従って、
この光モジュレータは、光モジュレータへの無変調信号光導入側に変調信号光を
出力するようになっている。

【００３８】本発明はディスプレイ部材として請求された請求項１−６のいずれかの光モジ
ュレータを有する光学的ディスプレイ装置にも関係する。この光学的ディスプレ
イ装置は、それぞれ表示されるべき情報に従って、制御光の助けを以て光モジュ
レータのフォトクロミック層を活性化するための制御光源と、表示されるべき情
報を可視化するため光モジュレータにより変調されるべき信号光を提供するため
の信号光源とを具備してなり、制御光および信号光が反射フィルター層と反対の
フォトクロミック層の側からフォトクロミック層へ入射するようにして該光モジ
ュレータが該制御光ビーム路および該信号光ビーム路に配置され、かつ、変調さ
れた信号光が、光入射側とは反対側の光モジュレータ側に出射されるようになっ
ていることを特徴とする。表示情報又は変調信号光の可視観察は、光入射側とは
反対の光モジュレータの側から行われるようになっている。この表示された情報
は、制御光ビーム路に配置された対物（ｏｂｊｅｃｔ）マスクのコントラスト像
であってもよく、これは光モジュレータのフォトクロミック層に投影されたもの
である。

【００３９】光学的ディスプレイ装置の好ましい変形例において、上記制御光源はレーザー
、であり、ここで偏光装置、特に２軸スキャナーが制御光ビームの偏光の制御の
ため、および平面的アドレス処理の目的のために設けられ、更に、表示されるべ
き情報に従ってフォトクロミック層上の衝突位置の関数として制御光ビームの強
度を制御するための強度モジュレータが設けられている。

【００４０】好ましくは、レーザーは２つの波長λsとλLとの間を切り換えることができる
ものであり、ここで、これらの波長は、このフォトクロミック層が波長λsの光
で書き込まれ、波長λLの光で削除できるように選択される。これに関連して、
フォトクロミック層を書き込むとは、信号光のためその光学的特性を変化させる
ために活性化されることを意味する。また、フォトクロミック層を削除するとは
、フォトクロミック層が再び当初の状態に戻されることを意味する。

【００４１】本発明は更に、制御光源、信号光源および請求項７記載の光モジュレータを具
備してなり、制御光ビーム中の情報を信号光ビーム中に伝達するための光学的配
置に関するものであって、ここで各情報を運ぶ制御光ビームは、制御光を波長選
択的に反射させるフィルター層と反対のフォトクロミック層側からフォトクロミ
ック層に導入され、信号光ビームは信号光を波長選択的に反射させるフィルター
層と反対のフォトクロミック層側からフォトクロミック層に導入されるようにな
っている。

【００４２】このような光学的配置は、制御光が非コヒーレントで信号光がコヒーレントの
場合、非コヒーレント／コヒーレント変換器として使用することができる。非コ
ヒーレントな制御光ビームに含まれる情報は上述のような配置でコヒーレントな
信号光へ伝達することができる。伝達されるべき情報は例えば制御光ビーム路に
配置された対物マスクの像であってもよく、この像は光モジュレータのフォトク
ロミック層に投影される。

【００４３】上述の光学的配置についての更なる利用可能性として、波長λ1の制御光ビー
ムに含まれる対象情報を波長λ2の信号光ビームに伝達することが挙げられる。
この場合、制御光源は波長λ1のレーザーであり、信号光源は波長λ2のレーザー
である。

【００４４】本発明の好ましい用途は以下の通りである。

【００４５】（ｉ）高解像度光学的ディスプレイシステムであって、変調された信号光につ
いてＯＡＳＬＭの光出口側から、制御光として用いられた強力なレーザー光によ
り目をくらませられることなく、又障害を受けることなく、肉眼で見ることがで
きる。

【００４６】（ｉｉ）高解像度データ投影のための投影ディスプレイ。

【００４７】（ｉｉｉ）種々の光学システムのための非コヒーレント／コヒーレント変換器
。

【００４８】（ｉｖ）フォトリソグラフィにおける感光層の露光のための可変マスク。

【００４９】（実施例）以下、本発明の具体例を図面を参照して説明する。

【００５０】図１は光学的にアドレス可能な光モジュレータ１であって、以下ＯＡＳＬＭと
して略記する。このＯＡＳＬＭに無変調の信号光２ａが当てられる。このＯＡＳ
ＬＭ１のフォトクロミック層の光学的特性、例えば吸収度および反射率、又は
屈折率は制御光３により空間的に変調される。この光学的特性の空間的変調は信
号光２ａがフォトクロミック層を透過する際の信号光２ａの対応する変調をもた
らし、その結果、ＯＡＳＬＭ１から出射される信号光２ｂはそれに対応して変
調されることになる。図１に示す例では、制御光３ａがＯＡＳＬＭ１に対し、
無変調の信号光２ａの場合と同じ側から当てられる。なお、幾つかの制御光源（
多重変調）を同時に使用することも可能である。更に、ＯＡＳＬＭの光化学的削
除を目的として更なる光源を付加することもできる。

【００５１】図２は、以下に詳述するように図３に示す本発明のＯＡＳＬＭ１のための適
用例を説明するものである。すなわち、図２は高解像ディスプレイシステムの該
略図であって、ここでＯＡＳＬＭ１は肉眼４で見ることができるディスプレイ
素子を形成している。細菌ロドプシンを含むＯＡＳＬＭ１は、光源としてのハ
ロゲンランプ５から出射され、集光装置６、カラーフィルター７およびディフュ
ーザー８を通過した無変調信号光で照射されるようになっている。制御光は、高
速強度モジュレータ１０、２軸ミラースキャナー１１および適当な偏光ミラー１
２からなる光学システムを介してレーザー９からＯＡＳＬＭ１に向けて照射さ
れる。この制御光の照射は具体的には上記信号光と同じ側からなされる。

【００５２】この制御光ビームについて大きな偏光角度を実行するため、図２に示す配置に
いわゆるｆ−シータレンズ（図示しない）を追加することも可能である。上記強
度モジュレータの目的は、所望のディスプレイにより決定されるＯＡＳＬＭ１
における制御光ビームの各位置の関数として制御光強度を制御することである。
この場合、制御装置（図示しない）が制御光ビームおよび強度モジュレータ１０
を移動させるためにミラースキャナー１１を制御し、それにより各場合の制御光
強度を設定する。好ましくは、このミラースキャナー１１は特定の繰返し速度で
制御光ビームがＯＡＳＬＭを走査するように制御される。つまり、これは表示さ
れるべき情報をフォトクロミック層に書き込むためＯＡＳＬＭの側面全体に亘っ
て行又は列ごとに走査しておこなわれる（ラスター化（ｒａｓｔｅｒｉｚｅｄ）
制御）。

【００５３】その他、ミラースキャナー１１は、制御光ビームがそれぞれの場合に表示され
るべき情報のトラックのみをフォトクロミック層へと引き寄せるように制御され
る（ベクトル制御）。ＯＡＳＬＭ１に照射された信号光のスペクトルは、ＯＡ
ＳＬＭ１の吸光能が制御光により影響され得るスペクトル領域に相当する波長
領域からなる。すなわち、ＢＲ材料の光化学的特定に従って、制御光はその強度
パターンにより決定されるフォトクロミック層の吸光能の変化又は設定を生じさ
せ、従って、信号光の対応する変調を生じさせ、それが観察者４に知覚される。
更に、図２の４の位置に例えば光検出器、感光性フィルムを加工物などに適用し
た状態で設け、変調された信号光を評価するようにしてもよい。フォトクロミッ
ク層を透過した後、制御光を波長選択的に逆反射させるフィルター層は、制御光
が観察者４側に通過しないようにすること、又はいずれにしても大きく減衰させ
た状態にすることを確実にする。ＯＡＳＬＭ１を透過した制御光の存在し得る
残留成分を除去するため、直線偏光フィルターをＯＡＳＬＭ１の下流側に接続
させてもよい（この例で直線的に偏光された制御光の偏光方向との関連で交差す
る位置に）。

【００５４】従って、本発明の好ましい用途はヒトの目で直接観察することができるディス
プレイ、更に制御光の助けで数秒間の繰返し速度で高解像度でコンピュータ制御
レーザースキャナーにより書き込むことができるディスプレイであって、この場
合、観察者が伝達されたレーザー光（＝制御光）、すなわち比較的強いレーザー
光により目をくらませられることなく、又、観察者の視覚機能に損傷を与える危
険性がないものである。好ましくは、このレーザー９は２つの波長の間を前後に
切り換えることができるものである。その第１のものは、ＯＡＳＬＭ１を書き
込むためのものであり、第２のものはＯＡＳＬＭ１の特定のものを削除するた
めのものである。好ましくは、このＯＡＳＬＭには複数の高反射性誘電体層の組
合せが備えられ、書込み波長の光と削除波長の光との双方がごく僅かにしか伝達
されないようになっている（例えば５％未満の割合で）。このようなディスプレ
イは画像情報および文字情報を従前のコンピュータディスプレイスクリーンによ
っては現在まで達成し得なかった高解像度で表示させることができる。典型的に
は、本発明によるディスプレイの有用な解像度はレーザープリンターのものに相
当する。このような高解像度のディスプレイの適用分野としては、建築、薬品、
工学技術、その他、データを表示することができ、紙へのプリントアウトを要す
ることなく非常に高い解像度で見ることができる多くの技術領域が含まれる。

【００５５】図２の配置で用いられるＯＡＳＬＭ１の基本的部材は図３に詳しく示されて
いる。ＢＲ層１５は、制御光の波長、もし適当であれば書込み光および削除光の
波長のための波長選択的高反射コーティング１４（反射フィルター１４）を有す
る透明基板１３に対し適用される。このような波長選択的高反射コーティングを
施した基板は公知の堆積方法により製造することができる。このようなミラーは
例えば高反射性レーザーミラーの名のもとで商業的に入手可能であり、広い波長
領域について適用できる。このＢＲ層１５には透明カバー層１６が設けられ、こ
の透明カバー層１６は必要な光学的平坦性を達成するため、高い引掻き抵抗を達
成するため、環境に対しＢＲ層を遮蔽するため（つまり、変動する空気の相対湿
度など）に設けられている。このＢＲ層１５には、もし適当であれば、更に付加
的フィルター機能を持たせることもできる。反射フィルターとしてのコーティン
グ１４の反射率は、１又は２以上の選択された波長について少なくとも８０％、
好ましくは少なくとも９０％、特に好ましくは少なくとも９９％とする。この反
射フィルターのスペクトル帯域幅は、選択された各波長について一般的には１０
０ｎｍ，好ましくはせいぜい７０ｎｍ、特に好ましくは５０ｎｍ未満とする。こ
の反射層の形成方法はそれ自体公知であり、適当な厚みの異なった屈折率の複数
の層を基板に堆積させることにより行われる。もし反射層が書込み光および削除
光の双方について設けられる場合は、これらを組合せることもできる。上記基板
１３は可視光（４００−８００ｎｍ）の波長帯域のものを吸収しないか、又はご
く僅かにしか吸収しない材料、例えばガラス、石英又は透明プラスチックなどか
らなる。制御光（変調光）は反射フィルター１４により逆反射され、ＢＲ層１５
を２回通過し、それにより変調の向上に寄与する。これは書込み操作および削除
操作の双方に共通するものである。更に吸収フィルターの使用と比較した場合、
局所的な熱の発生がないという利点を有する。つまり、この局所的な熱の発生は
コヒーレントビーム路の場合において周囲空気の屈折率の変動につながる。同時
に、制御光はＯＡＳＬＭ１の下流側の変調信号ビーム路から遠ざけることがで
きる。

【００５６】反射フィルター１４に直接、接しているＢＲ層１５はＢＲ野生型又はＢＲ変異
体又は１以上のＢＲ変異体およびもし適当であればＢＲ野生型を含む混合物から
なるものであってもよい。このＢＲ層は更にポリマーおよび他の補助剤、例えば
層形成又は固定のための接着剤、あるいはフォトン有用性、水分、ｐＨ値を安定
化させるため又は屈折率を適合させるための補助剤又は添加剤を含むものであっ
てもよい。ここで用いられるＢＲ層の作成は、例えば用意された基板上に３％の
ゼラチン又はポリビニルアルコールおよび８％の細菌ロドプシンを含む水性混合
物を分配することにより達成することができる。なお、この場合、水分の蒸発後
、細菌ロドプシンとマトリックス材料とからなるフィルムが残り、その厚みは１
ｍｍ未満、具体的にはほぼ５０μｍないし２５０μｍとなるようにする。この不
動態化されたＢＲの光学的特性は従来公知の補助剤と複合化させることにより改
良することができる。

【００５７】本発明によるＯＡＳＬＭ１の他の好ましい例が図４に示されている。フォト
クロミック層１５ａの互いに反対側の両側には波長選択的反射性フィルター層１
４ａおよび１４ｂがそれぞれ設けられている。これらの波長選択的反射性フィル
ター層１４ａおよび１４ｂは互いに異なる反射特性を有し、その内、フィルター
層１４ａは制御光２８ａの波長選択的反射のために設けられ、フィルター層１４
ｂは信号光２８ｂの波長選択的反射のために設けられている。反射性フィルター
層１４ａは光学的透明基板１３ａに適用されている。同様にして、反射性フィル
ター層１４ｂは光学的透明基板１３ｂに適用されている。このＯＡＳＬＭ１は
適宜、広帯域抗反射性コーティング又は波長選択的抗反射性コーティング１７ａ
および１７ｂを外側に設け反射損失を減少させるようにしてもよい。フォトクロ
ミック層１５ａは好ましくは、フォトクロミック材料として細菌ロドプシンを含
む物とする。このフォトクロミック材料は制御光２８ａの波長並びに信号光２８
ｂの波長の双方と相互作用し得る。

【００５８】技術的に特に興味のあるものは、好ましくはＢ状態（例えば５６８ｎｍ）によ
り吸収される第１の波長の光と、好ましくはＭ状態（例えば４１３ｎｍ）により
吸収される第２の波長の光とを同時に適用することである。この双方の波長は例
えばクリプトンガスレーザーを用いて発生させることができる。

【００５９】図３、４に示す部材間の“エアギャップ”は表現の便宜上のものであり、実際
のものでは通常存在しない。

【００６０】図５は図４に説明した本発明のＯＡＳＬＭの可能な適用例を示している。即ち
、図５は非コヒーレント／コヒーレント変換器として使用できる光学的設計を示
している。このＯＡＳＬＭ１の左側には光学的装置１８−２２が設けられてお
り、これら装置はＯＡＳＬＭ１を介して伝達されるべき情報を運ぶ非コヒーレ
ント制御光光束２８ａを発生させるためのものである。この例の場合、制御光光
束２８ａを発生させるための光学的装置１８−２２は、光源としてのハロゲンラ
ンプ１８、集光器１９、所望の制御光波長を透過させるカラーフィルター２０、
対物構造２１および画像化光学システム２２とからなっている。制御光光束２８
ａは従って、対物構造２１の情報像をＯＡＳＬＭ１に向けて投影させ、この情
報像に従ってフォトクロミック層１５ａを活性化させる。ＯＡＳＬＭ１のフィ
ルター層１４ａ（図５に示されていないが、図４に示されている）はフォトクロ
ミック層１５ａを透過した制御光光束２８ａの成分を逆反射させ、その制御光成
分がその２度目のフォトクロミック層１５ａ通過の間に、フォトクロミック層１
５ａの光学的活性化に寄与するようにする。更に、反射フィルター層１４ａは、
図４に示すＯＡＳＬＭ１の右側にある信号光の空間的領域に制御光がＯＡＳＬ
Ｍ１を介して導入されないようにしており、導入されたとしても大きな減衰を
伴ってＯＡＳＬＭ１を透過するようにしている。前記対物構造は例えば静的マ
スク又は動的マスクであって、例えば液晶ディスプレイスクリーンの形をなした
ものを具備してなる。すなわち、これに制御光光束２８ａが透過することにより
制御光光束２８ａへの対物情報の変調がなされる。ＯＡＳＬＭ１は図５におい
てその右側から無変調コヒーレント光２８ｂ（信号光）で照射される。この無変
調コヒーレント光２８ｂは反射フィルター層１４ａ（図４）によりフォトクロミ
ック層１５ａへ導かれ、フォトクロミック層１５ａを透過した後、フィルター層
１４ｂで逆反射される。すなわち、このフィルター層１４ｂは波長選択的に信号
光２８ｂを反射させる。反射したヒーレント信号光２８ｂ´は変調され、又は非
コヒーレント制御光光束２８ａの対物情報がそれに載せられる。

【００６１】図４のＯＡＳＬＭ１の機能は、図５に示した非コヒーレント／コヒーレント
変換器に限られるものではなく、ＯＡＳＬＭ１の両側でコヒーレント光および
／又は非コヒーレント光を用いることも可能である。このいずれの場合も、フォ
トクロミックＢＲ層が制御光ビーム路から情報を信号光ビーム路へ伝達するのに
用いられる。

【００６２】図４のＯＡＳＬＭ１の場合、仮に先に信号光として表された信号光２８ｂが
制御光の機能を取って代わるようにした場合は、先に制御光として表された制御
光２８ａが信号光の機能を取って代わることができる。従って、図４のＯＡＳＬ
Ｍ１を制御光の助けを以て左側からおよび右側から交互に駆動させ、それぞれ
他方の側で制御光中の情報をＯＡＳＬＭ１を介して信号光へ伝達することがで
きるから、ＯＡＳＬＭ１を双方向光学的データ伝達素子又は情報伝達素子とし
て使用することができる。

【００６３】図５に示した配置は、図３に示す構造を有するＯＡＳＬＭ１の助けを借りた
原理に基づいて操作することもできる。この場合、基板１３の側から非コヒーレ
ント光がＢＲ層１５に当てられるのに対し、変調されるべきコヒーレント光はそ
の反対側から照射される。この場合、ミラー層１４がコヒーレント光（信号光）
を反射させるフィルター層となる。しかし、図３に示す光モジュレータを有する
非コヒーレント／コヒーレント変換器の場合、干渉非コヒーレント光も多分、コ
ヒーレント光のビーム路に発生することになる。このような状況を防止するため
、偏光非コヒーレント光を用いて操作し、例えば偏光フィルターにより光モジュ
レータを通過した非コヒーレント光を阻止することも可能である。

【００６４】図６は図４に示したＯＡＳＬＭ１の更に可能な別の用途を示している。この
ＯＡＳＬＭ１は第１のレーザー３４を用い、レンズ３５により拡大され、中立
濃度フィルター３６で強度が変性されたビームで照射され、対象物としての静的
又は可変マスク３７により変調される。このマスク３７の対物情報は画像化光学
システム３８の助けを以てＯＡＳＬＭ１に投影される。更に、λ／４プレート
３３が設けられ、これはレーザー３４の直線的偏光光から円形偏光光を形成する
。マスク３７の手段により印加された情報はレーザー３４から放射された制御光
によりＯＡＳＬＭ１中に伝達される。フォトクロミック層１５ａを透過する制
御光成分は波長選択的反射性フィルター層１４ａで逆反射される（図５）。

【００６５】第２のレーザー２９から第２の拡張ビーム（信号光ビーム）が放射され、これ
は非変調形態でミラー３０および偏光ビームスプリッター３１を介してＯＡＳＬ
Ｍ１に向けて、特に制御光入射側とは反対側のＯＡＳＬＭ１の側に向けて放射
される。偏光された信号光ビームはＯＡＳＬＭ１に当たる前に、λ／４プレー
ト３２を通過するようになっている。信号光を波長選択的に反射させるフィルタ
ー層１４ｂで逆反射された後（図５）、この信号光ビームは当初の照射偏光方向
に対し垂直な偏光方向を有することになり、それが偏光ビームスプリッターを通
過することになる。それから出射する信号光ビーム３９は第２のレーザー２９の
波長を有するが、制御光を以てＯＡＳＬＭに伝達された対物マスク３７の情報を
担持している。図６の光学的配置は波長λ1の第１の光ビームから波長λ2の第２
の光ビームへ情報が変調されることを可能にする。従って、周波数コンバータの
用語が使用されている。

【００６６】細菌ロドプシン（ＢＲ）の使用によって、このＯＡＳＬＭの特別の利点が得ら
れる。このＢＲの効率的光化学特性のため、非常に迅速に操作し得る動的システ
ムの実現が可能となり、この場合、伝達されるべき情報はミリ秒の範囲で時間的
に変化させることができる。制御光および信号光についてそれぞれ５６８ｎｍお
よび４１３ｎｍ（又は逆）の適用の場合、ＯＡＳＬＭの高時限的動力学との同期
的関連で最大幅の変調が達成し得る。なぜならば、書込みおよび削除がいかなる
箇所でも光化学的に実行することができるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】信号光又は第１次光、および制御光又は第２次光を有する光学的にアドレス可
能な空間的光モジュレータの使用のためのビーム路の可能な形態を示す図。

【図２】光モジュレータが可視ディスプレイ素子として機能するビーム路を示す図。

【図３】図２の配置で用いられる光モジュレータの基本的部材を示す図。

【図４】光モジュレータが非コヒーレント／コヒーレント変換器として機能するビーム
路を示す図。

【図５】図４に示した適用例に有利な光モジュレータの１例の構成を示す図。

【図６】周波数コンバータのビーム路を示す図で、ここで光モジュレータは非コヒーレ
ント／コヒーレント変換器として機能し、その助けを以て１つの波長が他の波長
で制御されるようになっている。

【符号の説明】

１光モジュレータ２ａ信号光２ｂ信号光３制御光３ａ制御光５ハロゲンランプ６集光装置７カラーフィルター８ディフューザー１０高速強度モジュレータ１１２軸ミラースキャナー１２偏光ミラー１３基板１４反射性フィルター層１５フォトクロミック層

【手続補正書】

【提出日】平成１３年５月２４日（２００１．５．２４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】信号光を変調するため制御光により光学的に活性化し得るフ
ォトクロミック層（１５；１５ａ）と、該フォトクロミック層のための少なくと
も１つの光学的に透明な基板（１３；１３ａ）とを有する光モジュレータであっ
て、該光モジュレータ（１）は、前記フォトクロミック層（１５；１５ａ）を透過
した前記制御光を逆反射させるため該制御光を波長選択的に反射させ、かつ、前
記信号光に対し透明な少なくとも１つのフィルター層（１４；１４ａ）を有し、
該反射性フィルター層（１４；１４ａ）は前記制御光に関し少なくとも８０％の
反射率を有することを特徴とする光モジュレータ。
【請求項２】前記反射性フィルター層（１４；１４ａ）は前記フォトクロ
ミック層（１５；１５ａ）と前記基板（１３；１３ａ）との間に配置され、かつ
、前記フォトクロミック層（１５；１５ａ）に直接、接している請求項１記載の
光モジュレータ。
【請求項３】前記反射性フィルター層（１４；１４ａ）は前記制御光に関
し少なくとも９９％の反射率を有する請求項１又は２記載の光モジュレータ。
【請求項４】前記反射性フィルター層（１４；１４ａ）は、少なくとも１
つの更なる波長領域において、少なくとも８０％、特に少なくとも９９％の反射
率を有する請求項３記載の光モジュレータ。
【請求項５】前記フォトクロミック層（１５；１５ａ）が細菌ロドプシン
を含有するものである請求項１ないし４のいずれかに記載の光モジュレータ。
【請求項６】前記フォトクロミック層（１５；１５ａ）が前記細菌ロドプ
シンの野生型の変異体を含み、前記変異体がより高い感光性および／又は前記野
生型の使用期間よりも最も長寿命の中間体の使用期間を有し、具体的には８５個
のアミノ酸が変性された変異体、９６個のアミノ酸が変性された変異体、若しく
はジヒドロレチナール又は４−ケトレチナールが発色団として機能している変異
体、又はジヒドロレチナール若しくは４−ケトレチナールが発色団として機能し
、かつ、前記８５個のアミノ酸および／又は前記９６個のアミノ酸が変性された
変異体を含む請求項５記載の光モジュレータ。
【請求項７】前記信号光を波長選択的に反射させるフィルター層（１４ｂ
）が前記反射フィルター層（１４ａ）とは反対のフォトクロミック層（１５ａ）
の側に設けられ、これにより該フォトクロミック層（１５ａ）を浸透した信号光
を逆反射させるようになっている請求項１ないし６のいずれかに記載の光モジュ
レータ。
【請求項８】ディスプレイ素子として請求項１ないし６のいずれか１つに
記載された光モジュレータと、それぞれ表示されるべき情報に従って、制御光の
助けを以て前記光モジュレータ（１）のフォトクロミック層（１５）を活性化す
るための制御光源（５）と、表示されるべき情報を可視化するため光モジュレー
タ（１）により変調されるべき信号光を提供するための信号光源（９）とを具備
してなる光学的ディスプレイ装置であって、前記制御光および信号光が反射フィルター層（１４）とは反対のフォトクロミ
ック層（１５）の側から該フォトクロミック層（１５）へ入射するようにして前
記光モジュレータ（１）が制御光ビーム路および信号光ビーム路に配置され、か
つ、変調された信号光が、光入射側とは反対側の前記光モジュレータ（１）側に
出射されるようになっている光学的ディスプレイ装置。
【請求項９】前記制御光源（９）がレーザーであり、偏光装置（１１）、
特に２軸スキャナーが制御光ビームの偏光の制御のために設けられ、更に、表示
されるべき情報に従って前記フォトクロミック層（１５）上の衝突位置の関数と
して前記制御光ビームの強度を制御するための強度モジュレータ（１０）が設け
られている請求項８記載の光学的ディスプレイ装置。
【請求項１０】前記レーザー（９）が２つの波長λsとλLとの間を切り換
えることができ、これらの波長は、前記フォトクロミック層（１５）が波長λs
の光で書き込まれ、波長λLの光で削除できるように選択される請求項９記載の
光学的ディスプレイ装置。
【請求項１１】制御光源（１８；３４）、信号光源（２９）および請求項
７記載の光モジュレータを具備してなり、制御光ビーム中の情報を信号光ビーム
中に伝達するための光学的配置であって、各情報を運ぶ前記制御光ビームが、制御光を波長選択的に反射させるフィルタ
ー層（１４ａ）とは反対のフォトクロミック層（１５ａ）側から該フォトクロミ
ック層（１５ａ）に導入され、信号光ビームが信号光を波長選択的に反射させる
フィルター層（１４ｂ）とは反対のフォトクロミック層（１５ａ）側から該フォ
トクロミック層（１５ａ）に導入されるようになっている光学的配置。
【請求項１２】前記制御光（２８ａ）が非コヒーレントで、前記信号光（
２８ｂ）がコヒーレントである請求項１１記載の光学的配置。
【請求項１３】前記制御光源（３４）が波長λ1のレーザーであり、前記
信号光源（２９）が波長λ2のレーザーである請求項１１記載の光学的配置。