JP3970067B2 - 光路切替素子、空間光変調器および画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路切替素子、空間光変調器および画像表示装置に関し、より詳細には、入射光の反射方向を変化させることによって光路を変え、光をスイッチングする光路切替素子、及び、それを用いた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路を変え、光をスイッチングするデバイスおよびそれを用いた空間光変調器として、例えば特開平５−１９６８８０号公報に示されるような微小な回転鏡を二次元状に多数配列したものが知られている。図１９は従来の空間光変調器の平面図であり、方形トーションビーム反射表面６０とビーム支持ポスト６１のみが観察される。図２０は図１９に示す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６１はポスト７３に連結されたヒンジ７１の捻れによって、ビーム６０を接地電極７２に向けて回転可能にする。その駆動力はポスト７４によって支持されたアドレス電極７５に印加される電圧で与えられる。アドレス電極７５への電圧印加は、基板層８２に設けられたＣＭＯＳ回路（図示せず）の信号を金属層８１を介して伝達することにより行われる。ビーム６０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。
この方式においては、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。
【０００３】
そのほかの技術として、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。光を全反射して伝達可能な全反射面９４を備えた導光部９０と、全反射面に対し抽出面１０１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１０２と、この光スイッチング部を駆動する駆動部１１０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１１０を動作させることによってプリズム１０２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９０中を伝搬してきた光線９１は図２１に示されるように全反射面９４で全反射され図の右方向へ光線９３として出射していく。駆動部１１０を動作させない時には図２１左側のセルのようにプリズム１０２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９０中を伝搬してきた光線９１は図２１の左側セルに示されたように全反射面９４で反射することなくプリズム１０２に進入する。プリズム１０２に進入した光線はプリズムの反射面１０２ａで反射して図２１に示した光線９２のように導光部９０を透過して出射される。
【０００４】
この方式において、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１０２の構造は複雑であるため、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１０２を全反射面９４に近接させるとファンデルワールス力あるいは液架橋力が作用して、引き剥がしが困難になるという問題もある。
【０００５】
さらに別の技術として、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１２１に接触させた液晶１２６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）１２２が全反射光１２４として出射される状態と、透過光となったのち反射膜１２５によって向きを変えられて反射光１２３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。
この方式においては、機械的な駆動部を持たないために上述のような問題は生じないが、光の入射方向に配列している反射面が一定周期で並んでいる場合には回折によって出射光が広がり、光利用効率が低下するという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では上記問題点を解決し、構造が簡単で、耐久性が高く、光利用効率の高い光路切替素子、空間光変調器、およびそれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。より具体的には、
（１）構造が簡単で耐久性が高く、かつ光利用効率の高い光路切替素子を提供すること（請求項１）、
（２）よりＳ／Ｎ比を高くできる光路切替素子を提供すること（請求項２）、
（３）より低コストで信頼性の高い光路切替素子を提供すること（請求項３）、
（４）上記に加え、よりＳ／Ｎ比を高くできる光路切替素子を提供すること（請求項４）
（５）さらにＳ／Ｎ比を高くできる光路切替素子を提供すること（請求項５）
（６）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６）、
（７）さらに製造が容易で、光利用効率を高くできる光路切替素子を提供すること（請求項７）、
（８）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８）、
（９）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９）、
（１０）上記に加え、さらに光利用効率を高くできる光路切替素子を提供すること（請求項１０）、
（１１）さらに応答速度の速い光路切替素子を提供すること（請求項１１）、
（１２）構造が簡単で耐久性が高く、光利用効率の高い空間光変調器を提供すること（請求項１２）、
（１３）耐久性が高く、光利用効率の高い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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中に前記屈折率可変物質が封入され、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、前記反射部は、反射面と、該反射面と一辺を共有する逆傾斜面とが複数配列した構成を有しており、配列方向において隣接する前記反射面の間隔が一定でないことを特徴としたものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うことを特徴としたものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記光出射部において前記導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことを特徴としたものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項３または４のいずれか一項の発明において、前記出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けたことを特徴としたものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項の発明において、前記光入射部に光学的に接合し、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。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶からなることを特徴としたものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項の発明において、前記屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体からなることを特徴としたものである。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、液晶が入射光の波長の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。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項７乃至９のいずれか一項の発明において、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることを特徴としたものである。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項７乃至１０のいずれか一項の発明において、前記液晶が二周波駆動液晶であることを特徴としたものである。
【００１８】
請求項１２の発明は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子の反射面が二次元アレイ状に配列された空間光変調器であって、各反射面に接する屈折率可変物質への信号印加を反射面ごとに独立に制御することによって二次元の光変調を行うことを特徴としたものである。
【００１９】
請求項１３の発明は、請求項１２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表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００２０】
なお、ここで光の入射方向に配列する複数の反射部は、入射光を反射部の斜め上方から入射させる本素子においては、反射部を形成した反射部材を積層する基板面に対して光の入射光軸を垂直方向から投影した投影軸方向に該反射部が配列しているものとして説明される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、導光部材を介した光入射部と、該光入射部から入った入射光を反射する反射部と、該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、前記反射部を含む光路中に屈折率可変物質が封入され、該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、前記反射部が複数の反射面を有しており、光の入射方向に配列する隣接反射面の間隔が配列方向に対して一定でないことを特徴とする光路切替素子にある。
【００２２】
ここで、導光部材の屈折率をｎ_１、屈折率可変物質の屈折率をｎ_２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θ_１、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θ_２とすると、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。
ｓｉｎθ_２／ｓｉｎθ_１＝ｎ_１／ｎ_２…（１）
【００２３】
外部信号によってｎ_２が変化すると、（１）式に従ってθ_２が変化し、その結果、反射部での反射角が変わる、あるいはｎ_２がｎ_１よりも小さくなり以下の式（２）を満足する場合には、入射光は導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射する。
ｎ_１ｓｉｎθ_１＞ｎ_２ …（２）
これにより所定の位置で光出力を検出すれば、ｎ_２の変化に伴って光出力が変化することになり、信号印加による光スイッチングが可能となる。
【００２４】
本発明では、上記作用をする光路切替素子において、反射部が複数の反射面を有しており、光の入射方向に配列する隣接反射面の間隔が配列方向に対して一定でないようにしているので、回折による出射光の広がりを減少させることができ、その結果光利用効率を高くすることができる（請求項１）。
【００２５】
また、信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うので、高いＳ／Ｎ比を得ることができる（請求項２）。
【００２６】
また、信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことで、導光部材の屈折率の制約が少ないため、安価な材料を用いてデバイスおよびシステムを実現することができる（請求項３）。
【００２７】
上記において、信号による屈折率可変物質の屈折率変化を、反射部で反射した光が光出射部において導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことが好ましい。この場合、θ_２の変化量に比べて出射角の変化量が非常に大きくなり、さらに高いＳ／Ｎ比が得られる（請求項４）。
【００２８】
さらには、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。この時の出射角の変化量は第二の導光部材がない時よりも大きくすることが可能であり、より高いＳ／Ｎ比を得ることができる（請求項５）。
【００２９】
また、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とこの間に封入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、導光部材を光学的接合させればよいので、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６）。
【００３０】
屈折率可変物質としては、外部からエネルギーを与えることによって屈折率が変化するものであれば使用可能であるが、制御のしやすさから電界によって屈折率が変化する、いわゆる電気光学材料が好適に使用できる。電気光学材料としては、ポッケルス効果を示すＬｉＮｂＯ₃やカー効果を示すＢａＴｉＯ₃やＰＬＺＴなどの固体結晶、液晶などが知られているが、中でも電界強度当たりの屈折率変化量が大きいことおよび流動性があることから液晶が好ましい。屈折率変化量が大きいことにより、入射角θ_１を小さくすることができる、あるいは角度マージンを大きくすることができる。その結果光損失を小さく、すなわち光利用効率を高くすることができる。また、流動性があることにより導光部材（あるいは平板導光体）および反射部への光学的接触を容易に実現することができる（請求項７）。
【００３１】
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８、９）。
【００３２】
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、入射角θ_１を小さくすることができる、あるいは角度マージンを大きくすることができる。その結果光損失を小さく、すなわち光利用効率を高くすることができる（請求項１０）。
【００３３】
上記の液晶は二周波駆動液晶であることが好ましい。二周波駆動液晶とは液晶に印加する電圧の周波数によって液晶の誘電異方性の符号が異なる液晶で、高速な配向動作に特徴がある。誘電異方性とは液晶分子の長軸方向と短軸方向で誘電率が異なる性質で、電界を印加したときに誘電率の大きい方向が電界方向に向く。液晶分子の長軸方向の誘電率が短軸方向の誘電率よりも大きい時を誘電異方性が正とするので、誘電異方性が正の場合には液晶分子の長軸が電界方向に配向し、誘電異方性が負の場合には液晶分子の短軸が電界方向に配向する。二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向させる場合でも、短軸を電界方向に配向させる場合でも、液晶分子にローレンツ力が作用するため、ネマティック液晶など通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に行われるので、応答速度を速くすることができる（請求項１１）。
【００３４】
上記本発明の光路切替素子において、反射面を二次元アレイ状に配列し、各反射面に接する屈折率可変物質への信号印加を反射面ごとに独立に制御することによって二次元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るため、耐久性が高く安価で、かつ光利用効率が高くなる。（請求項１２）。
【００３５】
上記の空間光変調器と、光線入射手段および空間光変調器により形成した画像をスクリーンに拡大投影する手段を設けることにより、耐久性が高く安価で、光利用効率の高い画像表示装置を構成することができる（請求項１３）。
【００３６】
（実施の形態１）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態を説明するための図である。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１を介して光源からの光線を屈折率可変物質５に入射させる光入射部３、反射部６で反射した光線を導光部材１の外部へと出射させる光出射部４を有している。反射部６は入射光を実質的に出射光に変換する反射面１８と、これと一辺を共有する逆傾斜面１９によって構成される。反射部６を含む反射部材１５はＳｉ、ガラス等からなる基板９上にガラス、プラスチックまたは酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等のセラミックス等からなる絶縁体８で傾斜面を形成した後、傾斜面にＡｌ、Ａｇ等からなる高反射率の金属膜７を真空蒸着、スパッタリング等の公知の方法で形成して得ることができる。また、必要に応じてフォトリソエッチングによりパターンニングしてもよい。この金属膜７は電極としても作用する。基板９には金属膜７に情報に応じた信号電圧を印加するための駆動素子が形成され、情報データを電圧信号に変換するインターフェース部に接続されるのが好ましい。
【００３７】
反射部としては、絶縁体８が基板９を兼ねる構成や金属板あるいは半導体ウエハを基板として直接傾斜面を形成する構成等も可能である。好適な傾斜面形成方法の一例を挙げれば、面積階調もしくは濃度諧調のパターンを形成したフォトマスクを用いてパターンニングしてドライエッチングを行う異方性エッチング法がある。屈折率可変物質５としては、液晶が好適に使用できる。液晶材料としてはネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶等を用いることができ、単一もしくは２種類以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合物であってもよい。光入射部３には屈折率可変物質５に電圧を印加するためのＩＴＯ等からなる透明電極１０が設けられている。液晶分子を予め配向させるためにＳｉＯ、ポリイミド等からなる図示しない配向膜を少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。屈折率可変物質５が液晶のように流動性のある材料からなる時には、必要に応じてスペーサ材を混合したエポキシ樹脂等からなるシール剤１１を形成して、保持するのがよい。作製工程の一例を示せば、導光部材１（もしくは反射部材１５）の周辺部に熱硬化性のエポキシ樹脂を一部に開口部（注入孔）を残して印刷した後、反射部材１５（もしくは導光部材１）を貼り合わせて加熱硬化する。注入孔から液晶を注入した後、孔を接着剤で塞げば完成する。
【００３８】
図１は屈折率可変物質５の屈折率ｎ_２が導光部材の屈折率ｎ_１より小さく、前述の式（２）を満たすような信号を印加した場合で、入射光は入射部３で全反射し、光出射部４とは異なる方向に出射するため、光出射部４に対向して設けられた光検出器１３では検出されない（オフ状態）。図２はｎ_２がｎ_１と概略同程度となるような信号を印加した場合で、入射光は屈折率可変物質５中に進入し、反射部６に到達する。反射面１８の法線と光入射部を構成する面の法線とのなす角度、すなわち反射面１８の傾斜角αをα＝θ_２／２（≒θ_１／２）に設定しておけば、反射光は光出射部４に垂直に入射し出射するため、光検出器１３で検出される（オン状態）。
【００３９】
入射エリアが広い場合には複数の反射面を形成することによって、光入射部３から反射部６までの距離、すなわち屈折率可変物質５の層厚を小さくすることができ、その結果屈折率変化を生じさせるために印加する電圧信号等（駆動エネルギー）を小さくすることができる。また、二次元の空間光変調を行う場合には、画像データ等に応じて独立に信号が印加できる複数の反射面が必要である。このような場合に光の入射方向に配列する隣接反射面の間隔が配列方向に対して一定であると、各反射面から出射する光は回折を受けて正反射方向と異なる方向に出射する成分が発生し、一部は光検出器に取り込まれなくなるため、光利用効率が低下する。本実施形態においては光の入射方向に配列する隣接反射面１８の間隔が配列方向に対して一定でないようにしている。すなわち、図２に示すように隣接反射面１８の間隔を順にＰ１，Ｐ２，Ｐ３と異ならせることによって、回折の影響を減少させている。
【００４０】
具体的な計算結果を示す。入射光と反射面１８の法線とのなす角度（反射面に対する入射角）をψｉ、回折光と反射面１８の法線とのなす角度（法線方向を０°としてψｉ方向を正にとる）をψｄ、回折次数をｎ、波長をλ、反射面１８の配列周期（ピッチ）をＰとすると、以下の式が成り立つ。
ｎλ＝Ｐ（ｓｉｎψｉ＋ｓｉｎψｄ） …（３）
θ_２≒θ_１＝７０°、α＝３５°とすると、ψｉ＝３５°となる。λ＝０.６３μｍの時のψｄ（°）を式（３）から計算した結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
ピッチによらずｎ＝０の時はψｄ＝−３５°（正反射）である。２次の回折まで考慮すると、正反射方向からの広がりはＰ＝１０μｍで約±９°、Ｐ＝３０μｍで約±３°、Ｐ＝５０μｍで約±１.８°であることがわかる。駆動エネルギーあるいは二次元の空間光変調を行う場合の空間分解能（解像度）の観点からはピッチが小さい方が望ましい。図２において、仮にＰ１＝Ｐ２＝Ｐ３＝１０μｍとすると出射光は約±９°の広がりを持つことになるが、Ｐ１＝１０μｍ、Ｐ２＝１２.５μｍ、Ｐ３＝７.５μｍとすると一定周期とならないので回折は起こらない。
【００４３】
さらに照射エリアを広げる、すなわち反射面１８の数を増やす場合には、平均のピッチを１０μｍに保った（出射全光量の面内分布を均一化するために必要）まま隣接する反射面１８の間隔を全て異ならせるのは製造上極めて困難である。その場合例えば各面間隔を上記の値とし、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，…と繰り返せば周期ＰはＰ１＋Ｐ２＋Ｐ３＝３０μｍに増加し、出射光の広がりは約±３°に減少する。さらにＰ１＝１０μｍ、Ｐ２＝１３μｍ、Ｐ３＝７μｍ、Ｐ４＝１１μｍ、Ｐ５＝９μｍとして、各面間隔をＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，…と繰り返せば周期ＰはＰ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４＋Ｐ５＝５０μｍに増加し、出射光の広がりは約±１.８°に減少する。また、ピッチの増加に伴い高次の回折効率が減少するため、広がった部分の光量は小さくなる。したがってこの程度の広がりであれば実用上ほとんど問題がない。
【００４４】
具体的な例として、導光部材１をフリントガラスＳＦ１８（ｎｄ＝１.７２２）で作製し、屈折率可変物質５をネマティック液晶Ｅ７（常光屈折率ｎｏ＝１.５２２，異常光屈折率ｎｅ＝１.７４６，メルク社）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図１のように光入射部３を構成する面（入射面）に平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。図１の状態（電圧無印加）でレーザー光（波長６３３ｎｍ）をＰ偏光としてθ_１＝６９°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ_２＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ^２ｃｏｓ^２θ_１＋ｎｅ^２ｓｉｎ^２θ_１）^１／２≒１.５４６となるので、式（２）を満たし全反射する。光入射部３に対して液晶分子がほぼ垂直に配向する電圧を透明電極１０と金属膜７の間に印加した場合（図２の状態）には、同じ光に対して液晶の屈折率はｎ_２’＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｅ^２ｃｏｓ^２θ_１＋ｎｏ^２ｓｉｎ^２θ_１）^１／２≒１.７１２となるので、式（２）を満たさず、入射光は屈折率可変物質（液晶）中を透過して反射面１８に到達する。屈折角θ_２≒７０°となるので、α＝３５°に設定すると入射光は反射面１８で反射し、光出射部４からほぼ垂直に出射する。
【００４５】
（実施の形態２）
図３及び図４は、本発明の第２の実施形態を説明するための図である。本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるが、導光部材１と屈折率可変物質５との界面で全反射しないように導光部材１および屈折率可変物質５の材料、形状を変えている。図３は屈折率可変物質５の屈折率ｎ_２が導光部材１の屈折率ｎ_１より大きい場合で屈折角θ_２は式（１）に従って入射角θ_１より小さくなる。反射面１８の傾斜角αをα≒θ_１／２（＞θ_２／２）に設定し、光入射部３を構成する面と光出射部４を構成する面とが平行であるようにすると、反射面１８で反射した光は光出射部４に対してφ_１≒θ_１−θ_２の角度で入射するので、導光部材１に接触している外部物質が空気（ｎ_ａ＝１）の場合には出射角φ_２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_１ｓｉｎφ_１）で出射する。図４はｎ_２がｎ_１と概略同程度の場合でθ_２はθ_１にほぼ等しいため、入射光は反射面１８で反射し、光出射部４からほぼ垂直に出射する。光検出器１３を光出射部４に対向させて充分な距離を置いて設置すれば、図３の時にはほとんど検出されない（オフ状態）が、図４の時には検出される（オン状態）。
【００４６】
この場合も第１の実施形態と同様に隣接反射面の間隔を異ならせることによって、回折による出射光の広がりを低減できるが、第１の実施形態と異なりオン状態（図４の時）のみでなく、オフ状態（図３の時）も回折の影響を受けるためその出射光の広がりも低減される。これにより漏れ光（オフ時に検出される光量）が少なくなるので、Ｓ／Ｎ比の向上にも寄与する。
【００４７】
具体的な例として、導光部材１をクラウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）で作製し、屈折率可変物質５をネマティック液晶Ｅ７（常光屈折率ｎｏ＝１.５２２，異常光屈折率ｎｅ＝１.７４６）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図３のように光入射部３を構成する面（入射面）に平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。図３の状態（電圧無印加）でレーザー光（波長６３３ｎｍ）をＳ偏光としてθ_１＝６０°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ_２≒１.７４６となるので、式（１）に従ってθ_２≒４９°となる。反射面１８で反射した光は再び光入射部３を横切る時にも屈折するため、φ_１≒１３°となり、光出射部４からφ_２≒２０°で出射する。光入射部３に対して液晶分子がほぼ垂直に配向する電圧を透明電極１０と金属膜７の間に印加した場合（図４の状態）には、同じ光に対して液晶の屈折率はｎ_２’≒１.５２２となるので、θ_２≒６０°となる。α＝３０°に設定すると入射光は反射面１８で反射し、光出射部４からほぼ垂直に出射する。
【００４８】
（実施の形態３）
図５及び図６は、本発明の第３の実施形態を説明するための図である。本実施形態の基本的な構成は第２の実施形態と同様であるが、光出射部４において導光部材１とそれに接触する外部物質との界面で全反射する状態（図５）と、全反射しない状態（図６）とを取ることができるように導光部材１の形状を変えている。また、図６の時に光出射部４から出射した光を再び入射させ、第二の光出射部２１から出射させるための第二の導光部材２０が設けられている。第二の導光部材２０の屈折率は導光部材１と概ね等しいものが選択される。この例では光出射部４と第二の導光部材２０（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２）を持たせている。
【００４９】
図５は屈折率可変物質５の屈折率ｎ_２が導光部材１の屈折率ｎ_１より大きい場合で屈折角θ_２は式（１）に従って入射角θ_１より小さくなる。反射面１８の傾斜角αをα≒θ_１／２（＞θ_２／２）に設定し、光入射部３を構成する面と光出射部４を構成する面とのなす角度をβとすると、反射面１８で反射した光は光出射部４に対してφ_１≒β＋θ_１−θ_２の角度で入射するので、導光部材１に接触している外部物質が空気（ｎ_ａ＝１）の場合にはｎ_１ｓｉｎφ_１＞１、すなわちθ_２＜β＋θ_１−ｓｉｎ^−１（１／ｎ_１）を満たせば全反射して光吸収膜１４で吸収される。図６はｎ_２がｎ_１と概略同程度の場合でθ_２はθ_１にほぼ等しいため、反射光は光出射部に対して概略φ_１’＝βの角度で入射し、出射角φ_２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_１ｓｉｎβ）で出射するが、直ぐに第二の導光部材２０に入射する。第二の光出射部２１を構成する面と光入射部３を構成する面とが平行であるようにすると、光は第二の光出射部２１からほぼ垂直に出射する。図６の出射光が検出面に垂直に入射するように光検出器１３を設置すると、図６の場合には検出される（オン状態）が、図５の場合にはほとんど検出されない（オフ状態）。
【００５０】
具体的な例として、導光部材１および第二の導光部材２０をクラウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）で作製し、屈折率可変物質５をネマティック液晶Ｅ７（常光屈折率ｎｏ＝１.５２２，異常光屈折率ｎｅ＝１.７４６）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図５のように光入射部３を構成する面（入射面）に平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。θ_１＝６０°、α＝３０°、β＝３５°に設定し、図５の状態（電圧無印加）でレーザー光（波長６３３ｎｍ）をＳ偏光として入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ_２≒１.７４６となるので、式（１）に従ってθ_２≒４９°となる。反射面１８で反射した光は再び光入射部を横切る時にも屈折するため、φ_１≒β＋１３°＝４８°となり、ｎ_１ｓｉｎφ_１＞１を満たすので、光出射部４で全反射して光吸収膜１４で吸収される。光入射部３に対して液晶分子がほぼ垂直に配向する電圧を透明電極１０と金属膜７の間に印加した場合（図６の状態）には、同じ光に対して液晶の屈折率はｎ_２’≒１.５２２となるので、θ_２≒６０°となる。反射光は直進して、第二の光出射部２１からほぼ垂直に出射する。
【００５１】
（実施の形態４）
図７及び図８は、本発明の第４の実施形態を説明するための図で、第１の実施形態と同様にオフ状態を図７に、オン状態を図８に示すものである。図中、１７は導光部材１と屈折率が概略等しい平板導光体で、光入射部３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１および、平板導光体１７と等しい揮発性の低い液体あるいは光硬化性接着剤を用いるのが好適である。この実施形態においては屈折率可変物質５と接するのは平板導光体１７であるので、透明電極１０は平板導光体１７上に形成される。この場合導光部材１の接合は最後に行えばよいので、デバイスの主要部分の作製を複雑な形状の導光部材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。
【００５２】
（実施の形態５）
図９及び図１０は、本発明の第５の実施形態を説明するための図で、第４の実施形態と同様に、オフ状態を図９に、オン状態を図１０に示すものである。本実施形態は、屈折率可変物質５として、高分子分散液晶を用いる以外は第４の実施形態と同様の構成である。高分子分散液晶は高分子マトリクス２３中に液晶ドロップレット２２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。高分子分散液晶の製法としては、（１）液晶と熱あるいは光硬化（重合）性モノマーやオリゴマーもしくはプレポリマーで溶液を作り、重合によって相分離させる重合相分離法、（２）液晶と高分子と溶剤で溶液を作り、溶剤を蒸発させることによって相分離させる溶媒蒸発相分離法、（３）液晶と熱可塑性高分子を加熱溶解させた後、冷却によって相分離させる熱相分離法などを用いることができる。
【００５３】
ポリマーとしては、製造工程の容易さ、液晶相との分離性等の点から紫外線硬化型の樹脂を用いるのが好ましい。具体的な例として紫外線硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に紫外線照射によって重合硬化するアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するものが好ましい。このようなモノマーまたはオリゴマーとしては（ポリ）エステルアクリレート、（ポリ）ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリブタジエンアクリレート、シリコーンアクリレート、メラミンアクリレート、（ポリ）ホスファゼンメタクリレート等がある。その他の例として、チオール−エン系も光硬化速度が速いことから好適に使用できる。
また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。
【００５４】
この紫外線硬化性化合物中に液晶材料を均一に溶解させた液状物を反射部材１５と導光部材１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。
液晶ドロップレットサイズと応答速度の関係について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。図１１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ものである。液晶材料はＥ７およびＢＬ２４（ｎｏ＝１.５１３，ｎｅ＝１.７１７，メルク社）、プレポリマーはＮＯＡ６０，６５および８１（ノーランド社）を適宜用いた。応答速度の測定は図１２に示す装置を用いて、試料３７にパルス電圧（２００Ｖ）を印加した時の光出力の立ち上がり時間（Ｔｏｎ）と立ち下がり時間（Ｔｏｆｆ）の合計を測定した。なお、試料３７は高分子分散液晶層４０の厚さを２０μｍ、光路長を１ｍｍとした。
【００５５】
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図１３に模式的に示す。電界が印加されていない時には液晶ドロップレット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方向に電界を印加すると、液晶分子の分子軸がこの方向にそろうため、ｚ軸方向の屈折率は大きくなり、ｘ軸およびｙ軸方向の屈折率はお互いに等しいまま、その大きさが小さくなる。図１２のように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１１の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図１１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。
【００５６】
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（４）のように表される。
Ｔ＝ｅｘｐ（−ＮＲＬ），Ｒ＝２４π^３（（ｍ^２−１）／（ｍ^２＋２））^２Ｖ^２／λ^４ …（４）
【００５７】
ここで、Ｒは散乱断面積、ｍは散乱体の屈折率と媒体の屈折率の比、λは使用する光の波長である。ｍ＝１.０７、Ｌ＝１００μｍとした時の透過率Ｔを散乱体すなわち液晶ドロップレットの粒径ｄ、体積分率（＝ＮＶ）および波長λをパラメータとして計算した。式からわかるように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。図１４はＴ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％（ｄ（０.１））、３０％（ｄ（０.３））および５０％（ｄ（０.５））の場合について、波長に対してプロットしたものである。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１４より、光路切替素子として適用される可視〜赤外領域の波長に対しては、ｄがλ／５以下であるのが好ましく、λ／１０以下であることがより好ましい。なお、この計算ではｍおよびＬを固定したが、実デバイスにおいてこれ以下の値であると考えられるため、上記の粒径範囲であれば問題はない。
【００５８】
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、導光部材１およびをフリントガラスＳＦ２（ｎｄ＝１.６４８）とし、レーザー光（波長６３３ｎｍ）をＰ偏光として入射角θ_１＝７５°で入射させる。図９の時（電界無印加時）には液晶分子の配向したドロップレット２２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（液晶の体積分率を約３５％と見積もった）。なお、この場合予め配向処理を行っていない。この時式（２）を満たすため全反射する。図１０の時には液晶分子が電界方向に配列し、上記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（ｎｅ・ｎｏ／（ｎｅ^２ｃｏｓ^２θ₁＋ｎｏ^２ｓｉｎ^２θ₁）^１／２＝１.７０）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。この時式（１）に従って屈折角はθ_２≒７８°となり、α＝３９°に設定しておけば反射光は出射部４からほぼ垂直に出射し、光検出器１３で検出される。図９の状態と図１０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桁以上高速になっている。
【００５９】
（実施の形態６）
図１５及び図１６は、本発明の第６の実施形態を説明するための図である。本実施形態は、電圧無印加時（図１５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５の実施形態と同様の構成である。この配列方向は電圧印加時（図１６の時）に液晶分子が揃う方向（電界方向）とほぼ直交し、光入射部３に対して水平で紙面に垂直な方向にするのがよい。
具体的には第５の実施形態と同様の材料および処方の高分子分散液晶を用いた場合、同じ入射光（Ｐ偏光、θ_１＝７５°）に対して、図１５の時に高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ^２ｃｏｓ^２θ_１＋ｎｅ^２ｓｉｎ^２θ_１）^１／２＝１.５２）と高分子マトリクスの屈折率（≒１.５６）との体積平均（≒１.５５）と見なすことができる。この時式（２）を満たすため全反射するが、臨界角が約７０°で第５の実施形態の場合（約７２°）よりも小さくなる。言いかえると入射角のマージンが広くなるため、より広い角度分布を持った光が利用でき、光利用効率の向上に繋がる。図１６の時には液晶分子が電界方向に配列し、同じ光に対する高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（ｎｅ・ｎｏ／（ｎｅ^２ｃｏｓ^２θ_１＋ｎｏ^２ｓｉｎ^２θ_１）^１／２＝１.７０）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。この時式（１）に従って屈折角はθ_２≒７８°となり、α＝３９°に設定しておけば反射光は出射部４からほぼ垂直に出射し、光検出器１３で検出される。
【００６０】
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。また、電界の代わりに磁界を用いる方法も好適に使用できる。
【００６１】
（実施の形態７）
本発明の第７の実施形態を図１，図２及び図１７に基づき説明する。本実施形態は、基本的な素子構造は第１の実施形態と同様であるが、屈折率可変物質５として二周波駆動液晶を用いている。
図１７に二周波駆動液晶の誘電異方性の周波数特性を示す。印加電圧の周波数が高くなり、クロスオーバー周波数ｆｃを越えると誘電異方性が負となる。クロスオーバー周波数以下の周波数ｆ_１の電圧を印加した場合には液晶分子が電界方向に配向する（図２）。クロスオーバー周波数以上の周波数ｆ_２の電圧を印加すると、液晶の長軸は電界にほぼ垂直な方向すなわち光入射部３にほぼ平行な方向に配向するが、予め配向処理を行うことで面内での向きを紙面垂直方向に揃えることができる（図１）。
【００６２】
二周波駆動液晶では長軸を電界方向に配向させる場合でも、短軸を電界方向に配向させる場合でも、液晶分子にローレンツ力が作用するため、ネマティック液晶など通常の液晶材料に比べて配向運動が高速に行われる。例えば、図２の状態から図１の状態に切り替える際に、通常のネマティック液晶では電圧を０Ｖにした時の配向規制力による戻りを利用するため、応答に数ｍｓ〜数１０ｍｓを要するが、二周波駆動液晶を用いて高周波電界で強制的に配向変化を起こさせる場合には１ｍｓ以下での応答が可能となる。
【００６３】
二周波駆動液晶としては、例えば、２，３−ジシアノ−４−ペンチルオキシフェニル−４−（トランス−４−エチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４ペンチルオキシフェニル−トランス−４−プロピル−１−シクロヘキサンカルボキシラート、２，３−ジシアノ−４−エトキシフェニル−４−（トランス−４−ペンチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４−エトキシフェニル−４−（トランス−４−ブチルシクロヘキシル）ベンゾアート、２，３−ジシアノ−４−ブトキシフェニル−４−（トランス−４−ブチルシクロヘキシル）ベンゾアートなどを用いることができる。
【００６４】
具体的な例として、導光部材１をフリントガラスＳＦ８（ｎｄ＝１.６８９）で作製し、屈折率可変物質５を二周波駆動液晶ＭＸ００１５４３（ｎｏ＝１.４９７８，ｎｅ＝１.７１９２，クロスオーバー周波数ｆｃ≒２０ｋＨｚ，メルク社）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１２を図１のように光入射部３に対してほぼ平行で紙面に垂直な方向に配向しておく。配向膜としてはＳｉＯ、ポリイミド等の公知の材料が使用でき、少なくとも透明電極１０および金属膜７の表面に形成するのが好ましい。透明電極１０と金属膜７の間にクロスオーバー周波数以上の周波数ｆ_２＝１００ｋＨｚの電圧を印加した状態（図１）で、レーザー光（波長６３３ｎｍ）をＰ偏光として入射角θ_１＝７０°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ_２＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｏ^２ｃｏｓ^２θ_１＋ｎｅ^２ｓｉｎ^２θ_１）^１／２≒１.５１９となるので、式（２）を満たし全反射する。クロスオーバー周波数以下の周波数ｆ_１＝１ｋＨｚの電圧を印加した場合（図２）には、同じ光に対して液晶の屈折率はｎ_２’＝ｎｅ・ｎｏ／（ｎｅ^２ｃｏｓ^２θ_１＋ｎｏ^２ｓｉｎ^２θ_１）^１／２≒１.６８８となるので、式（１）に従って屈折角はθ_２≒７０°となり、α＝３５°に設定しておけば反射光は光出射部４からほぼ垂直に出射し、光検出器１３で検出される。
【００６５】
実施の形態８
図１８は、本発明の第８の実施形態を説明するための図で、二次元空間光変調器５０の斜視図である。本実施形態の基本的な構成は上記第１、第４乃至第７の実施形態と同様であるが、個別電極を兼ねる金属膜７が二次元アレイ状に配置されている。図１８では明らかでないが、紙面の左右方向に配列した隣接反射面の間隔は配列方向に一定でないようにしている。基板９には各個別電極に接続され、それらに選択的に信号を供給するための駆動素子（図示せず）が設けられている。アレイ状に配列した各個別電極に選択的に電圧信号を印加することによって、選択された個別電極（金属膜７）からの反射光のみが光出射部４から出射し、面状の光のＯＮ／ＯＦＦ（空間光変調）ができる。ＬＥＤアレイ，ランプ等の光源から光をコリメートレンズ（あるいは光インテグレータ）、偏光変換光学系を介してＰ偏光として、導光部材１から屈折率可変物質５へ入射させ、光出射部４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。
【００６６】
上記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。
【００６７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光路切替素子によれば、導光部材を介した光入射部と、光入射部から入った入射光を反射する反射部と、反射部で反射した光を、導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、反射部を含む光路中に屈折率可変物質が封入され、屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、反射部が複数の反射面を有しており、入射光軸の投影軸方向に配列する隣接反射面の間隔が配列方向に対して一定でないようにすることにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつ光利用効率の高い光路切替素子を提供することができる。また、屈折率可変物質の屈折率変化を、入射光が導光部材と屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うようにすることにより、上記に加え、Ｓ／Ｎ比の高い光路切替素子を提供することができる。
【００６８】
また、屈折率可変物質の屈折率変化を、入射光が導光部材と屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うようにすることにより、低コストで信頼性の高い光路切替装置を提供することができる。また、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ようにすることにより、上記に加え、よりＳ／Ｎ比の高い光路切替素子を提供することができる。また、出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けたので、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。
【００６９】
また、導光部材に光学的接合し、導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けることにより、上記に加え、製造が容易な光路切替素子を提供することができる。また、屈折率可変物質が液晶からなるので、さらに製造が容易で、光利用効率を高くできる光路切替素子を提供することができる。さらに、屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体（高分子分散液晶）からなるようにすることにより、上記に加え、応答速度の速い光路切替素子を提供することができる。また、屈折率可変物質が高分子分散液晶からなり、液晶を入射光の波長の１／５以下の粒径を有するドロップレットとすることにより、上記に加え、光損失の小さい光路切替素子を提供することができる。
【００７０】
また、電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列しているようにすることにより、上記に加え、より光利用効率を高くできる光路切替素子を提供することができる。また、液晶として二周波駆動液晶を用いることにより、さらに応答速度の速い光路切替素子を提供することができる。
【００７１】
また、本発明の空間光変調器によれば、上記のごとくの光路切替素子を二次元アレイ状に配列することにより、構造が簡単で耐久性が高く、かつ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。また本発明の画像表示装置によれば、上記の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することにより、耐久性が高く、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】 本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態を説明するための他の図である。
【図３】 本発明の第２の実施形態を説明するための図である。
【図４】 本発明の第２の実施形態を説明するための他の図である。
【図５】 本発明の第３の実施形態を説明するための図である。
【図６】 本発明の第３の実施形態を説明するための他の図である。
【図７】 本発明の第４の実施形態を説明するための図である。
【図８】 本発明の第４の実施形態を説明するための他の図である。
【図９】 本発明の第５の実施形態を説明するための図である。
【図１０】 本発明の第５の実施形態を説明するための他の図である。
【図１１】 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１２】 液晶ドロップレットの応答速度を測定するための装置を示す概略図である。
【図１３】 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した図である。
【図１４】 Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％、３０％および５０％の場合について、波長に対してプロットした図である。
【図１５】 本発明の第６の実施形態を説明するための図である。
【図１６】 本発明の第６の実施形態を説明するための他の図である。
【図１７】 本発明の第７の実施形態を説明するための図である
【図１８】 本発明の第８の実施形態を説明するための他の図である
【図１９】 従来の空間光変調器の一例の平面図である。
【図２０】 図１９のひとつの回転鏡の断面図を示した図である。
【図２１】 特開平１１−２０２２２２号公報の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】
１…導光部材、３…光入射部、４…光出射部、５…屈折率可変物質、６…反射部、７…金属膜、８…絶縁体、９…基板、１０…透明電極、１１…シール剤、１２…液晶分子、１３…光検出器、１４…光吸収膜、１５…反射部材、１７…平板導光体、１８…反射面、１９…逆傾斜面、２０…第二の導光部材、２１…第二の光出射部、２２…液晶ドロップレット、２３…高分子マトリクス、３７…試料、４０…高分子分散液晶層、５０…二次元空間光変調器、６０…方形トーションビーム反射表面、６１…ビーム支持ポスト、７１…ヒンジ、７２…接地電極、７３…ポスト、７４…ポスト、７５…アドレス電極、８１…金属層、８２…基板層、９０…導光部、９１，９２…光線、９４…全反射面、１０１…抽出面、１０２…プリズム、１１０…駆動部、１２１…導光体、１２２…入射光（直線偏光）、１２３…反射光、１２４…全反射光、１２５…反射膜、１２６…液晶。

Claims (13)

1. 導光部材を介して入射した光を屈折率可変物質に入射させる光入射部と、
   該光入射部から前記屈折率可変物質に入った入射光を反射する反射部と、
   該反射部で反射した光を、前記導光部材を介して出射光として外部へ出す光出射部とよりなり、
   前記反射部を含む光路中に前記屈折率可変物質が封入され、
   該屈折率可変物質に情報に応じて信号を与え屈折率変化を生じせしめる信号入力手段を具備する光路切替素子において、
   前記反射部は、反射面と、該反射面と一辺を共有する逆傾斜面とが複数配列した構成を有しており、配列方向において隣接する前記反射面の間隔が一定でないことを特徴とする光路切替素子。
2. 前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で透過及び全反射する範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の光路切替素子。
3. 前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記入射光が前記導光部材と前記屈折率可変物質との界面で全反射しない範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の光路切替素子。
4. 前記信号による前記屈折率可変物質の屈折率変化を、前記反射部で反射した光が前記光出射部において前記導光部材とそれに接触する外部物質との界面で全反射する第一の状態と、全反射しない第二の状態とを取ることができる範囲で行うことを特徴とする請求項３に記載の光路切替素子。
5. 前記出射光を第二の導光部材を介して外部へ出すことができる第二の光出射部を設けたことを特徴とする請求項３または４のいずれか一項に記載の光路切替素子。
6. 前記光入射部に光学的に接合し、前記導光部材と屈折率が概略等しい平板導光体を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光路切替素子。
7. 前記屈折率可変物質が液晶からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光路切替素子。
8. 前記屈折率可変物質が液晶材料を高分子マトリクス中に分散保持した液晶／高分子複合体からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光路切替素子。
9. 液晶が入射光の波長の１／５以下の粒径を有するドロップレットであることを特徴とする請求項８に記載の光路切替素子。
10. 電圧無印加時に全ての液晶分子が概略一方向に配列していることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の光路切替素子。
11. 前記液晶が二周波駆動液晶であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の光路切替素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光路切替素子の反射面が二次元アレイ状に配列された空間光変調器であって、各反射面に接する屈折率可変物質への信号印加を反射面ごとに独立に制御することによって二次元の光変調を行うことを特徴とする空間光変調器。
13. 請求項１２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表示する手段とを有することを特徴とする画像表示装置。

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