JP4550007B2 - 光変調デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性により光を変調する新規な光変調デバイスに関するものである。
特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性により光を変調する光変調デバイスとして、例えば、エタロン等の干渉フィルタが実用化されている。従来の干渉フィルタは、平滑度や膜厚精度が高レベルに要求されるため製造が難しく高価であり、大面積化も困難であった。また、構造が固定化されているため光変調特性が固定化されており、吸収（透過）させたい光の波長が異なれば異なる干渉フィルタを用意しなければならず、光学系の設計変更等に柔軟に対応することができなかった。
かかる背景下、特許文献１には、１．０〜１．６μｍの径の細孔（ノード）を有する細孔体に流体を充填して光変調を行う光変調デバイスが開示されている。この光変調デバイスは、細孔径が光の波長よりも大きくフォトニック結晶構造を呈しており、フォトニック結晶の干渉効果により光を変調するデバイスである。
特許文献２には、光路方向に離間配置されかつ離間距離が変更可能な一対の透光性壁体を備えた容器内に流体を充填して光変調を行う光変調デバイスが開示されている。この光変調デバイスでは、一対の透光性壁体間で多重反射（共振）が生じて多重干渉が起こり、特定波長の光が吸収されて光が変調される。
特表２００４−５３３６３５号公報
特開２００１−１７４７１９号公報
特許文献１及び２に記載の光変調デバイスはいずれも、中に充填する流体を変更することで光変調特性を変更できるものの、エタロンのような高精細高分解な光変調が難しく、光フィルタとして良好な光変調特性を示すものではない。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、高精細高分解な光変調を実施でき、光変調特性を変更することができ、しかも製造が容易で大面積化も可能な新規の光変調デバイスを提供することを目的とするものである。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、高精細高分解な光変調を実施でき、光変調特性を変更することができ、しかも製造が容易で大面積化も可能な新規の光変調デバイスを提供することを目的とするものである。
本発明の光変調デバイスは、光入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体と、透光性物質が充填される入射光の波長より充分に小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第２の反射体とを順次備えてなり、
前記第１の反射体の平均複素屈折率と、前記第２の反射体の平均複素屈折率と、前記透光性微細孔体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性により前記入射光が変調されて、前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体から変調光が出射されるものであることを特徴とするものである。
前記第１の反射体の平均複素屈折率と、前記第２の反射体の平均複素屈折率と、前記透光性微細孔体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性により前記入射光が変調されて、前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体から変調光が出射されるものであることを特徴とするものである。
本明細書において、「半透過半反射性」とは透過性と反射性を共に有することを意味し、透過率と反射率は任意である。「入射光の波長より充分に小さい径」とは、変調しようとする波長領域の最短波長の１／２以下の径と定義する。「透光性微細孔体の平均複素屈折率」とは、透光性微細孔体の複素屈折率とその微細孔内の物質（透光性物質を充填した状態では透光性物質、透光性物質を充填しない状態では空気）の複素屈折率とを合わせて平均化した平均複素屈折率を意味する。
本発明の光変調デバイスにおいては、前記透光性微細孔体の平均複素屈折率を変更可能とし、該平均複素屈折率に応じて吸収される光の波長を変更可能とすることができる。
本明細書において、「透光性微細孔体の平均複素屈折率の変更」には、充填する透光性物質の複素屈折率の変更と、透光性物質を充填しない空状態と透光性物質を充填した充填状態との間の変更とが含まれるものとする。
本明細書において、「透光性微細孔体の平均複素屈折率の変更」には、充填する透光性物質の複素屈折率の変更と、透光性物質を充填しない空状態と透光性物質を充填した充填状態との間の変更とが含まれるものとする。
例えば、前記複数の微細孔に充填される前記透光性物質の種類及び／又は量を変更可能とすることで、前記複数の微細孔に充填される前記透光性物質の複素屈折率を変更することができ、該変更によって前記透光性微細孔体の平均複素屈折率を変更可能とすることができる。
本明細書において、「透光性物質の種類の変更」には、透光性物質の成分を変更する他、成分は同一で濃度を変更する場合も含まれるものとする。
本明細書において、「透光性物質の種類の変更」には、透光性物質の成分を変更する他、成分は同一で濃度を変更する場合も含まれるものとする。
本発明の光変調デバイスの好適な態様としては、前記透光性微細孔体は被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化して得られる金属酸化物体からなり、前記第２の反射体は前記被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分からなり、前記第１の反射体は前記透光性微細孔体に成膜された金属層からなるものが挙げられる。
本発明の光変調デバイスの他の好適な態様としては、前記透光性微細孔体は、被陽極酸化金属体の全体を陽極酸化して得られる金属酸化物体、若しくは、被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化し、さらに該被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分を除去して得られる金属酸化物体からなり、前記第１の反射体及び前記第２の反射体はいずれも前記透光性微細孔体に成膜された金属層からなるものが挙げられる。
本発明の光変調デバイスは、光入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体と、透光性物質が充填される入射光の波長より充分に小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第２の反射体とを順次備えたものである。
かかる構成では、第１の反射体を透過して透光性微細孔体に入射した光が第１の反射体と第２の反射体との間で反射を繰り返して多重反射が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こる。かかる構成では、多重干渉条件が第１の反射体の平均複素屈折率と第２の反射体の平均複素屈折率と透光性微細孔体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて変わるので、これらファクターに応じて特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。この吸収特性により入射光が変調されて、第１の反射体及び／又は第２の反射体から変調光が出射される。
本発明の光変調デバイスでは、多重干渉によって特定波長において強い吸収特性を示すので、高精細高分解な光変調を実施できる。また、複数の微細孔に充填する透光性物質の複素屈折率を変更するなどして、透光性微細孔体の平均複素屈折率を簡易に変更することができるので、本発明の光変調デバイスが組み込まれる光学系の設計変更等に応じて光変調特性を簡易に変更することも可能である。
本発明の光変調デバイスは、入射光の波長より充分に小さい構造を光変調の最小単位として有しているので、特許文献１及び２に記載の光変調デバイスよりもはるかに高精細高分解な光変調特性を示す。また、微細孔体を２種類の反射体で挟む構造を有し、陽極酸化等を利用して簡易に製造できるので、エタロン等の従来の干渉フィルタに比して製造も容易で大面積化も可能である。
「第１実施形態」
図１及び図２を参照して、本発明に係る第１実施形態の光変調デバイスの構成について説明する。図１（ａ）は本実施形態の光変調デバイスの全体厚み断面図（ハッチングは省略）、図１（ｂ）は反射光スペクトルの例である。図２（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の光変調デバイスの製造工程図（斜視図）である。
図１及び図２を参照して、本発明に係る第１実施形態の光変調デバイスの構成について説明する。図１（ａ）は本実施形態の光変調デバイスの全体厚み断面図（ハッチングは省略）、図１（ｂ）は反射光スペクトルの例である。図２（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の光変調デバイスの製造工程図（斜視図）である。
図１（ａ）に示す如く、本実施形態の光変調デバイス１は、光入射側（図示上側）から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と透光性微細孔体２０と半透過半反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えたデバイス構造を有する。
入射光Ｌ１は、太陽光や室内光等の外光、特定の光源から出射されたブロード光又は単波長光など、任意である。
入射光Ｌ１は、太陽光や室内光等の外光、特定の光源から出射されたブロード光又は単波長光など、任意である。
図１（ａ）及び図２（ｃ）に示す如く、透光性微細孔体２０はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３、透光性金属酸化物）からなり、第１の反射体１０側から第２の反射体３０側に延びる略ストレートな複数の微細孔２１が開孔されたものである。複数の微細孔２１はいずれも透光性微細孔体２０を貫通しており、第１の反射体１０側の面及び第２の反射体３０側の面において開口している。透光性微細孔体２０において、複数の微細孔２１は入射光Ｌ１の波長より充分に小さい径及びピッチで略規則的に配列されている。
本実施形態では、複数の微細孔２１に透光性物質２２が充填される。透光性物質２２としては特に制限されない。ただし、透光性物質２２を出入可能であることから、流動性物質、すなわち液体や液晶等が好ましい。液体としては、水等の無機溶媒、アルコール（メタノール、エタノール等）等の有機溶媒、これらの混合液、無機溶媒及び／又は有機溶媒にグリセロールやショ糖等の溶質を溶解した各種溶液等が挙げられる。透光性物質２２の出入は難しいが、透光性物質２２として粉体等の固体を用いてもよい。透光性物質２２として気体を用いてもよい。
図２に示す如く、透光性微細孔体２０は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とし不純物を含んでいてもよい被陽極酸化金属体４０（好ましくは純度９０％以上）の一部を陽極酸化し、陽極酸化後の被陽極酸化金属体４０の非陽極酸化部分４２及びその近傍部分をエッチング除去して、製造されたものである。
陽極酸化は、被陽極酸化金属体４０を陽極とし陰極と共に電解液に浸漬させ、陽極陰極間に電圧を印加することで実施できる。被陽極酸化金属体４０の形状は制限されず、板状等が好ましい。また、支持体の上に被陽極酸化金属体４０が層状に成膜されたものなど、支持体付きの形態で用いることも差し支えない。陰極としてはカーボンやアルミニウム等が使用される。電解液としては制限されず、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、アミドスルホン酸等の酸を、１種又は２種以上含む酸性電解液が好ましく用いられる。
図２に示す如く、被陽極酸化金属体４０を陽極酸化すると、表面４０ｓから該面に対して略垂直方向に酸化反応が進行し、金属酸化物体（Ａｌ２Ｏ３）４１が生成される。陽極酸化により生成される金属酸化物体４１は、多数の平面視略正六角形状の微細柱状体４１ａが隙間なく配列した構造を有するものとなる。各微細柱状体４１ａの略中心部には、表面４０ｓから深さ方向に略ストレートに延びる微細孔２１が開孔され、各微細柱状体４１ａの底面は丸みを帯びた形状となる。陽極酸化により生成される金属酸化物体の構造は、益田秀樹、「陽極酸化法によるメソポーラスアルミナの調製と機能材料としての応用」、材料技術Vol.15,No.10、1997年、p.34等に記載されている。
規則配列構造の金属酸化物体４１を生成する場合の好適な陽極酸化条件例としては、電解液としてシュウ酸を用いる場合、電解液濃度０．５Ｍ、液温１４〜１６℃、印加電圧４０〜４０±０．５Ｖ等が挙げられる。この条件で生成される微細孔２１は例えば孔径が３０〜９５ｎｍ、ピッチが１００ｎｍ程度である。
透光性微細孔体２０は、非陽極酸化部分４２を残さず被陽極酸化金属体４０の全体を陽極酸化することでも製造できる。
第１の反射体１０及び第２の反射体３０はいずれも金属層からなり、透光性微細孔体２０への金属蒸着等によって成膜されたものである。透光性微細孔体２０には透光性微細孔体２０を貫通する複数の微細孔２１が開孔されているので、図１（ａ）に示す如く、微細孔２１の開孔部分には金属が成膜されず、第１の反射体１０及び第２の反射体３０は透光性微細孔体２０の複数の微細孔２１に各々連通する複数の貫通孔１１、３１を有している。貫通孔１１、３１は透光性微細孔体２０の微細孔２１と同じパターンで開孔されるので、貫通孔１１、３１は入射光Ｌ１の波長より充分に小さい径及びピッチで略規則的に配列されている。
第１の反射体１０と第２の反射体３０とは同一材質でも異なる材質でもよい。第１の反射体１０及び第２の反射体３０の材質は、反射性を有する金属であれば制限なく、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、及びこれらの合金等が挙げられ、２種以上の金属を含むものであってもよい。第１の反射体１０及び第２の反射体３０は、不純物として金属以外の任意成分を含むものであってもよい。
本実施形態では、第１の反射体１０の複数の貫通孔１１及び／又は第２の反射体３０の複数の貫通孔３１を介して、透光性微細孔体２０の複数の微細孔２１に透光性物質２２を充填することができ、透光性物質２２の出入・交換も可能である。充填する透光性物質２２の量を調整することもできる。透光性微細孔体２０の微細孔２１だけでなく、第１の反射体１０の貫通孔１１及び／又は第２の反射体３０の貫通孔３１にも、透光性物質２２を充填することができる。図１（ａ）は、第１の反射体１０の貫通孔１１及び第２の反射体３０の貫通孔３１にも透光性物質２２を充填し、透光性物質２２を最大限充填した場合について図示してある。
透光性微細孔体２０において、複数の微細孔２１は入射光Ｌ１の波長より充分に小さい径及びピッチで開孔されているので、微細孔２１に透光性物質２２が充填される前の空の透光性微細孔体２０も、微細孔２１に透光性物質２２が充填された透光性微細孔体２０も、いわゆる電磁メッシュシールド効果により光に対しては薄膜として作用する。
同様に、第１の反射体１０及び第２の反射体３０において、貫通孔１１、３１は入射光Ｌ１の波長より充分に小さい径及びピッチで開孔されているので、貫通孔１１、３１に透光性物質２２が充填される前の空の第１の反射体１０及び第２の反射体３０も、貫通孔１１、３１に透光性物質２２が充填された第１の反射体１０及び第２の反射体３０も、光に対しては薄膜として作用する。
また、第１の反射体１０及び第２の反射体３０は反射性金属からなるが貫通孔１１、３１を有しているので光透過性を有し、半透過半反射性を有する。第１の反射体１０の透過率と反射率は、材質、厚み、貫通孔の開孔密度により決まり、第２の反射体３０の透過率と反射率も同様である。
図１（ａ）に示す如く、光変調デバイス１に入射光Ｌ１が入射すると、第１の反射体１０の透過率と反射率に応じて、一部は第１の反射体１０の表面で反射され（図示略）、一部は第１の反射体１０を透過して透光性微細孔体２０に入射する。透光性微細孔体２０に入射した光は、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で反射を繰り返す。すなわち、光変調デバイス１は、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で多重反射が起こる共振構造を有している。
かかるデバイスでは、多重反射光による多重干渉が起こり、特定波長の光が選択的に吸収される吸収特性を示す。多重干渉条件は第１の反射体１０の平均複素屈折率と第２の反射体３０の平均複素屈折率と透光性微細孔体２０の平均複素屈折率及び厚みとに応じて変わるので、これらファクターに応じて特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。
第１の反射体１０の平均複素屈折率をｎ１−ｉｋ１、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率をｎ２、第２の反射体３０の平均複素屈折率をｎ３−ｉｋ３、透光性微細孔体２０の厚みをｄとする（ｋ１及びｋ３は消衰係数であり、−ｉｋ１及び−ｉｋ３は虚数部を示す。本実施形態では、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率の虚数部は０である。）。
本発明者は、入射光Ｌ１が略垂直入射光の場合、多重干渉により吸収される光のピーク波長（吸収ピーク波長）λは、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２と厚みｄとに大きく依存し、これらは概ね下記式の関係にあることを見出している。
ｎ２ｄ≒（ｍ＋１）／２×λ、
λ≒（ｍ＋１）×２ｎ２ｄ
式中、ｍは任意の整数（０，±１，±２，・・・・）である。
本発明者は、入射光Ｌ１が略垂直入射光の場合、多重干渉により吸収される光のピーク波長（吸収ピーク波長）λは、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２と厚みｄとに大きく依存し、これらは概ね下記式の関係にあることを見出している。
ｎ２ｄ≒（ｍ＋１）／２×λ、
λ≒（ｍ＋１）×２ｎ２ｄ
式中、ｍは任意の整数（０，±１，±２，・・・・）である。
特に、第１の反射体１０、透光性微細孔体２０、及び第２の反射体３０のうち少なくとも１つを複素誘電率の虚数部が０でない光吸収体により構成すると、吸収ピークがシャープになり、特定波長の光に対して強い吸収を示すものとなる。本実施形態では、金属層である第１の反射体１０及び第２の反射体３０が光吸収体である。
光変調デバイス１では、透光性微細孔体２０内における多重反射回数（フィネスＦ）が最大となるよう、光インピーダンスマッチングを取ったデバイス構造とすることが好ましい。フィネスＦは一般的に下記式で表され、反射体の反射率Ｒが大きい程、フィネスＦは大きくなり、吸収ピークがシャープになる傾向にある。
フィネスＦ＝πＲ１／２／（１−Ｒ）
フィネスＦ＝πＲ１／２／（１−Ｒ）
本実施形態の光変調デバイス１は、上記吸収特性によって入射光Ｌ１を変調し、変調光Ｌ２を出射するものである。本実施形態では、第１の反射体１０及び第２の反射体３０がいずれも半透過半反射性を有するので、第１の反射体１０の平均複素屈折率と第２の反射体３０の平均複素屈折率と透光性微細孔体２０の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、第１の反射体１０から変調光Ｌ２が出射される反射型デバイス、第２の反射体３０から変調光Ｌ２が出射される透過型デバイス、第１の反射体１０及び第２の反射体３０から変調光Ｌ２が出射される半透過半反射型デバイスのいずれかとなる。
光変調デバイス１では、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２を変更することで、多重干渉により吸収される光のピーク波長λを変化させることができ、光変調特性を変更することができる。光変調デバイス１では、反射型デバイス、透過型デバイス、及び半透過半反射型デバイスのうちいずれかを選択することもできる。
透光性微細孔体２０の厚みｄは制限されない。例えば、厚みｄを３００ｎｍ以下とすることで、可視光波長領域の吸収ピーク波長を１つとすることができ、好ましい。
反射型の条件で、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２を変更したときの反射光スペクトル（第１の反射体１０から出射された光のスペクトル）の変化例を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）は、吸収ピーク波長がλ１からλ２に変化した様子を示している。
本実施形態では、（１）透光性微細孔体２０の微細孔２１に透光性物質２２を充填しない空状態と透光性物質２２を充填した充填状態とを切り替える、あるいは（２）透光性微細孔体２０の微細孔２１に充填する透光性物質２２の種類及び／又は量を変更することで、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２を変更することができる。「透光性物質２２の種類の変更」には、透光性物質２２の成分を変更する他、成分は同一で濃度を変更する場合も含まれる。また、透光性物質２２が液晶等の場合には、（３）透光性微細孔体２０に充填された透光性物質２２の複素屈折率を電気的に変更して、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２を変更することもできる。上記の（１）〜（３）を組み合わせて、平均複素屈折率ｎ２を変更することもできる。
本実施形態の光変調デバイス１は以上のように構成されている。
本実施形態の光変調デバイス１は、光入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と、透光性物質２２が充填される入射光Ｌ１の波長より充分に小さい径の複数の微細孔２１を有する透光性微細孔体２０と、半透過半反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えたものである。
かかる構成では、第１の反射体１０を透過して透光性微細孔体２０に入射した光が第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で反射を繰り返して多重反射が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こる。かかる構成では、多重干渉条件が第１の反射体１０の平均複素屈折率と第２の反射体３０の平均複素屈折率と透光性微細孔体２０の平均複素屈折率及び厚みとに応じて変わるので、これらファクターに応じて特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。この吸収特性により入射光Ｌ１が変調されて、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０から変調光Ｌ２が出射される。本実施形態の光変調デバイス１では、多重干渉によって特定波長において強い吸収特性を示すので、高精細高分解な光変調を実施できる。
本実施形態の光変調デバイス１は、入射光Ｌ１の波長より充分に小さい構造を光変調の最小単位として有しているので、特許文献１及び２に記載の光変調デバイスよりもはるかに高精細高分解な光変調特性を示す。また、複数の微細孔２１が規則配列した透光性微細孔体２０を有する本実施形態の光変調デバイス１では、光変調構造が規則的であり、光変調特性の面内均一性が高く、安定した光変調特性が得られる。
なお、本実施形態では、多重反射光による多重干渉が効果的に起こり、高精細高分解な光変調を実施できるが、反射光の干渉が起こる条件であれば、透光性微細孔体２０内における反射回数は任意であり少なくてもよい。
本実施形態の光変調デバイス１では、複数の微細孔２１に充填する透光性物質２２の複素屈折率を変更する、透光性微細孔体２０に充填された透光性物質２２の複素屈折率を電気的に変更するなどして、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率を簡易に変更することができるので、本実施形態の光変調デバイス１が組み込まれる光学系の設計変更等に応じて光変調特性を簡易に変更することができる。
本実施形態では、透光性微細孔体２０をなす複数の微細孔２１が、第１の反射体１０側から第２の反射体側３０に向けて延び、第１の反射体１０側の面及び第２の反射体３０側の面において開口した略ストレート孔であり、第１の反射体１０及び第２の反射体３０が透光性微細孔体２０の微細孔２１と同じパターンで開孔された貫通孔１１、３１を有しているので、第１の反射体１０側及び／又は第２の反射体３０側から透光性物質２２を出入し、透光性物質２２の種類及び／又は量を簡易に変更し、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率を簡易に変更することができる。
本実施形態の光変調デバイス１は、透光性微細孔体２０を２つの反射体１０、３０で挟む構造を有し、陽極酸化を利用して簡易に製造できるので、エタロン等の従来の干渉フィルタに比してはるかに製造も容易で大面積化も容易である。
本実施形態の光変調デバイス１は構造による波長選択性を有するので、デバイスの劣化（退色等）が起こりにくく、長期使用安定性にも優れる。
本実施形態の光変調デバイス１は構造による波長選択性を有するので、デバイスの劣化（退色等）が起こりにくく、長期使用安定性にも優れる。
「第２実施形態」
次に、図３（ａ）に基づいて、本発明に係る第２実施形態の光変調デバイスの構成について説明する。本実施形態は第１実施形態と基本構造は同様であるので、同じ構成要素には同じ参照符号を付し、説明は省略する。図３（ａ）は第１実施形態の図１（ａ）に対応した断面図である。
次に、図３（ａ）に基づいて、本発明に係る第２実施形態の光変調デバイスの構成について説明する。本実施形態は第１実施形態と基本構造は同様であるので、同じ構成要素には同じ参照符号を付し、説明は省略する。図３（ａ）は第１実施形態の図１（ａ）に対応した断面図である。
図３（ａ）に示す如く、本実施形態の光変調デバイス２は、第１実施形態の光変調デバイス１の異なる面に、異なる複素屈折率の透光性物質が充填された透光性セル５１、５２が接合されたものである。
具体的には、光変調デバイス１の第１の反射体１０に、透光性物質Ａ（流動性物質、好ましくは液体）が充填された透光性セル５１が接合されている。透光性セル５１の第１の反射体１０側の面は透光性物質Ａが透過するようになっており、透光性セル５１に接続されたポンプ６１によって、透光性セル５１内の透光性物質Ａが透光性微細孔体２０の複数の微細孔２１に注入可能とされている。
同様に、光変調デバイス１の第２の反射体３０に、透光性物質Ａとは異なる複素屈折率の透光性物質Ｂ（流動性物質、好ましくは液体）が充填された透光性セル５２が接合されている。透光性セル５２の第２の反射体３０側の面は透光性物質Ｂが透過するようになっており、透光性セル５２に接続されたポンプ６２によって、透光性セル５２内の透光性物質Ｂが透光性微細孔体２０の複数の微細孔２１に注入可能とされている。
本実施形態の光変調デバイス２では、透光性物質２２として、透光性物質Ａと透光性物質Ｂのうちいずれかを選択して、透光性微細孔体２０の複数の微細孔２１に充填することができる。また、ポンプ６１、６２による透光性物質Ａ、Ｂの注入力を調整することで、透光性物質Ａと透光性物質Ｂとを任意の割合で充填することもできる。この場合、透光性物質Ａと透光性物質Ｂとの間には気泡２３等を介在させて、透光性物質Ａと透光性物質Ｂとが互いに混じり合わない構成とすることが好ましい。透光性物質Ａと透光性物質Ｂとを同量充填した場合について図示してある。
ポンプ６１、６２としては特に制限なく、電気流体力学式ポンプ、電気浸透式ポンプ、電気泳動ポンプ、熱毛管現象ポンプ、電気ウエッティングポンプ、電気毛管現象ポンプ等が挙げられる。ポンプ６１とポンプ６２とは種類を変えてもよい。
本実施形態では、透光性微細孔体２０に充填する透光性物質２２の平均複素屈折率ｎ２を、透光性物質Ａの複素屈折率、透光性物質Ｂの複素屈折率、及びこれらの間の任意の複素屈折率の間で簡易に変更し、簡易に光変調特性を変更することができる。ポンプ６１、６２を自動制御することで、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２を自動変更することも可能である。
本実施形態の光変調デバイス２は、第１実施形態の光変調デバイス１を基本構成とし、充填する透光性物質２２の複素屈折率を簡易に変更することを可能としたものであるので、高精細高分解な光変調を実施でき、しかも光変調特性を簡易に変更することができるものである。
「第２実施形態の設計変更例」
上記第２実施形態を設計変更して、透光性セル５１、５２のうち少なくとも一方に対して、複数の透光性物質を充填可能とすることで、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２の選択幅を広げ、光変調特性の選択幅を広げることができる。また、透光性セル５１、５２のうち一方は透光性微細孔体２０に充填された透光性物質を排出するための空セルとしてもよい。
上記第２実施形態を設計変更して、透光性セル５１、５２のうち少なくとも一方に対して、複数の透光性物質を充填可能とすることで、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２の選択幅を広げ、光変調特性の選択幅を広げることができる。また、透光性セル５１、５２のうち一方は透光性微細孔体２０に充填された透光性物質を排出するための空セルとしてもよい。
例えば、図３（ｂ）に示す如く、透光性セル５１は排出用の空セルとし、透光性セル５２にポンプ６３〜６６を介して異なる複素屈折率の複数の透光性物質Ａ〜Ｄ（いずれも流動性物質、好ましくは液体）が各々貯蔵される貯蔵タンク５３〜５６を接続する構成とすることができる。かかる構成では、透光性物質Ａ〜Ｄのうちいずれかを透光性セル５２に充填し、透光性物質２２として透光性微細孔体２０に充填することができる。透光性物質Ａ〜Ｄのうち複数の透光性物質を任意の割合で混合して透光性微細孔体２０に充填することもできる。
かかる構成では、透光性微細孔体２０に充填する透光性物質２２を入れ替える際には、先に入っている透光性物質２２を空セルの透光性セル５１に押し出して排出し、新たな透光性物質２２を注入することができ、好ましい。透光性セル５２に接続する貯蔵タンクの数については、４個に限らず適宜設計できる。
さらには、図３（ｃ）に示す如く、透光性セル５１にポンプ６７を介して洗浄液Ｅが貯蔵される洗浄用タンク５７を接続する構成とすることもできる。かかる構成では、透光性微細孔体２０に充填する透光性物質２２を入れ替える際には、先に入っている透光性物質２２を空セルの透光性セル５１に押し出して排出した後、透光性微細孔体２０に洗浄液Ｅを注入して洗浄することができる。かかる構成では、先に充填した透光性物質２２のコンタミネーションを抑制でき、好ましい。
「第３実施形態」
次に、図４に基づいて、本発明に係る第３実施形態の光変調デバイスの構成について説明する。本実施形態は第１実施形態と基本構造は同様であるので、同じ構成要素には同じ参照符号を付し、説明は省略する。図４は第１実施形態の図１（ａ）に対応した断面図である。
次に、図４に基づいて、本発明に係る第３実施形態の光変調デバイスの構成について説明する。本実施形態は第１実施形態と基本構造は同様であるので、同じ構成要素には同じ参照符号を付し、説明は省略する。図４は第１実施形態の図１（ａ）に対応した断面図である。
本実施形態の光変調デバイス３は、第１実施形態と同様、光入射側（図示上側）から、第１の反射体１０と透光性微細孔体２０と第２の反射体３０とを順次備えたデバイス構造を有するが、第１実施形態と異なり、透光性微細孔体２０の微細孔２１が貫通孔ではなく、第２の反射体３０が完全反射性を有するデバイスである。透光性微細孔体２０の微細孔２１は、第１の反射体１０側の面においてのみ開口し、第２の反射体３０側は閉じられている。
透光性微細孔体２０は、図２（ｂ）に示した被陽極酸化金属体４０の一部を陽極酸化して得られる金属酸化物体（Ａｌ２Ｏ３）４１からなり、第２の反射体３０は同図に示した被陽極酸化金属体４０の非陽極酸化部分（Ａｌ）４２からなり、第１の反射体１０は透光性微細孔体２０に成膜された金等の金属層からなるデバイスである。
本実施形態の光変調デバイス３も、第１実施形態と同様に多重干渉構造を有しており、第１実施形態と同様に高精細高分解な光変調を実施できる。
第１実施形態と同様、複数の微細孔２１が規則配列した透光性微細孔体２０を有する本実施形態の光変調デバイス３では、光変調構造が規則的であり、光変調特性の面内均一性が高く、安定した光変調特性が得られる。
本実施形態では、第２の反射体３０が完全反射体であるので、第１実施形態と異なり、第１の反射体１０から変調光Ｌ２が出射される反射型デバイスのみが得られる。
第１実施形態と同様、複数の微細孔２１が規則配列した透光性微細孔体２０を有する本実施形態の光変調デバイス３では、光変調構造が規則的であり、光変調特性の面内均一性が高く、安定した光変調特性が得られる。
本実施形態では、第２の反射体３０が完全反射体であるので、第１実施形態と異なり、第１の反射体１０から変調光Ｌ２が出射される反射型デバイスのみが得られる。
本実施形態の光変調デバイス３では、第１実施形態と同様、複数の微細孔２１に充填する透光性物質２２の複素屈折率を変更するなどして、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率を簡易に変更することができ、光変調デバイス３が組み込まれる光学系の設計変更等に応じて光変調特性を変更することができる。
本実施形態は、透光性微細孔体２０をなす複数の微細孔２１が第１の反射体１０側のみが開口した略ストレート孔であり、第１の反射体１０が透光性微細孔体２０の微細孔２１と同じパターンで形成された貫通孔１１を有するので、第１の反射体１０側から透光性微細孔体２０に充填する透光性物質２２の種類及び／又は量を簡易に変更し、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率を簡易に変更することができる。
本実施形態においても、透光性物質２２が液晶等の場合には、透光性微細孔体２０に充填された透光性物質２２の複素屈折率を電気的に変更して、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率を変更することもできる。
本実施形態においても、透光性物質２２が液晶等の場合には、透光性微細孔体２０に充填された透光性物質２２の複素屈折率を電気的に変更して、透光性微細孔体２０の平均複素屈折率を変更することもできる。
本実施形態の光変調デバイス３は、第１実施形態と同様、微細孔体２０を２つの反射体１０、３０で挟む構造を有し、陽極酸化を利用して簡易に製造できるので、エタロン等の従来の干渉フィルタに比してはるかに製造も容易で大面積化も容易である。
第１実施形態と同様、本実施形態の光変調デバイス３は構造による波長選択性を有するので、デバイスの劣化（退色等）が起こりにくく、長期使用安定性にも優れる。
第１実施形態と同様、本実施形態の光変調デバイス３は構造による波長選択性を有するので、デバイスの劣化（退色等）が起こりにくく、長期使用安定性にも優れる。
（設計変更）
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更できる。
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更できる。
第１〜第３実施形態では、透光性微細孔体２０の形成に用いる被陽極酸化金属体４０の主成分としてＡｌのみを挙げたが、陽極酸化可能で生成される金属酸化物が透光性を有するものであれば、任意の金属が使用できる。Ａｌ以外では、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｚｎ等が使用できる。被陽極酸化金属体４０は、陽極酸化可能な金属を２種以上含むものであってもよい。
陽極酸化を利用することで、複数の微細孔２１が規則配列した透光性微細孔体２０を簡易に製造でき、大面積化も容易である。また、構造規則性に優れた透光性微細孔体２０を簡易に製造できるので、光変調特性の面内均一性が高く、安定した光変調特性の本発明の光変調デバイスを簡易に製造できる。
このように陽極酸化を利用することは好ましいが、本発明は陽極酸化に限らず、他の微細孔形成技術を利用して製造されたものであってもよい。例えば、透光性基体に集束イオンビーム（ＦＩＢ）や電子ビーム（ＥＢ）等の電子描画技術により任意のパターンの微細孔（貫通孔でも貫通しない孔（凹部）でもよい）を描画する、完全反射性又は半透過半反射性の基体の表面にリソグラフィー技術により任意の凹凸パターンの透光性微細孔体を形成する（この場合凹部が微細孔となる）等の方法を用いることで、本発明の光変調デバイスを製造することができる。陽極酸化以外の方法を用いることで、透光性微細孔体２０の材質や微細孔２１の開孔パターン等の設計自由度が広がる。
第１の反射体１０及び第２の反射体３０の材質は、金属に限らず、反射性を有する材質であればよい。
透光性微細孔体２０における微細孔２１の形状は任意である。上記実施形態では、円柱状の略ストレート孔のみを挙げたが、三角柱状、四角柱状等の角柱状でもよく、柱状にも限らない。微細孔２１はランダム形状であってもよい。
微細孔２１の配列パターンも任意である。複数の微細孔２１が第１の反射体１０の光入射面に平行な方向に一次元配列したものでも、二次元配列したものでもよい。上記実施形態は、複数の微細孔２１が第１の反射体１０の光入射面に平行な方向に二次元配列した例である。また、複数の微細孔２１が第１の反射体１０の光入射面に平行な方向に二次元配列し、さらにこの二次元配列が厚み方向にも繰り返される三次元配列構造であってもよい。微細孔２１の配列はランダム配列でもよい。
微細孔２１の配列パターンも任意である。複数の微細孔２１が第１の反射体１０の光入射面に平行な方向に一次元配列したものでも、二次元配列したものでもよい。上記実施形態は、複数の微細孔２１が第１の反射体１０の光入射面に平行な方向に二次元配列した例である。また、複数の微細孔２１が第１の反射体１０の光入射面に平行な方向に二次元配列し、さらにこの二次元配列が厚み方向にも繰り返される三次元配列構造であってもよい。微細孔２１の配列はランダム配列でもよい。
本発明に係る実施例について説明する。
（実施例）
＜光変調デバイスの製造＞
下記手順にて、第３実施形態の光変調デバイスを製造した。Ａｌを主成分とする被陽極酸化金属体４０の一部を陽極酸化して、厚みｄ＝２５０ｎｍ、微細孔２１の開口率（＝微細孔２１の合計開口面積／透光性微細孔体２０の全面積）が１／２の透光性微細孔体（Ａｌ２Ｏ３）２０を形成し、透光性微細孔体２０と非陽極酸化部分（Ａｌ）からなる第２の反射体３０とからなるナノ構造体（図２（ｂ）参照）を得た。このナノ構造体の表面に金を蒸着して第１の反射体１０を成膜し、反射型の光変調デバイス３を製造した。
＜光変調デバイスの製造＞
下記手順にて、第３実施形態の光変調デバイスを製造した。Ａｌを主成分とする被陽極酸化金属体４０の一部を陽極酸化して、厚みｄ＝２５０ｎｍ、微細孔２１の開口率（＝微細孔２１の合計開口面積／透光性微細孔体２０の全面積）が１／２の透光性微細孔体（Ａｌ２Ｏ３）２０を形成し、透光性微細孔体２０と非陽極酸化部分（Ａｌ）からなる第２の反射体３０とからなるナノ構造体（図２（ｂ）参照）を得た。このナノ構造体の表面に金を蒸着して第１の反射体１０を成膜し、反射型の光変調デバイス３を製造した。
物質の複素屈折率は入射光の波長によって異なる。参考までに、波長６００ｎｍの条件におけるＡｕ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌの複素屈折率、第１の反射体１０の平均複素屈折率、微細孔２１に透光性物質２２を充填しない空状態（空気（屈折率ｎ＝１）が入った状態、後記条件１）の透光性微細孔体２０の平均複素屈折率、第２の反射体３０の平均複素屈折率を以下に示しておく。第１の反射体１０の平均複素屈折率は、微細孔２１の開口率を考慮して算出してある。第２の反射体３０は孔がないので、その平均複素屈折率はＡｌの複素屈折率と同じである。
Ａｕの複素屈折率：０．１７５−ｉ３．１０、
Ａｌ２Ｏ３の複素屈折率：１．７６７、
Ａｌの複素屈折率：０．９７−ｉ６．００、
第１の反射体１０の平均複素屈折率ｎ１−ｉｋ１：０．７２５−ｉ３．１０、
透光性微細孔体２０（空状態）の平均複素屈折率ｎ２：１．２５６、
第２の反射体３０の平均複素屈折率ｎ３−ｉｋ３：０．９７−ｉ６．００。
Ａｕの複素屈折率：０．１７５−ｉ３．１０、
Ａｌ２Ｏ３の複素屈折率：１．７６７、
Ａｌの複素屈折率：０．９７−ｉ６．００、
第１の反射体１０の平均複素屈折率ｎ１−ｉｋ１：０．７２５−ｉ３．１０、
透光性微細孔体２０（空状態）の平均複素屈折率ｎ２：１．２５６、
第２の反射体３０の平均複素屈折率ｎ３−ｉｋ３：０．９７−ｉ６．００。
＜評価＞
透光性微細孔体２０の微細孔２１に透光性物質２２を充填しない空状態（空気（屈折率ｎ＝１）が入った状態）について、分光計器製「ポリクロメータ−Ｍ２５型」を用い、白色光（キセノン光源）を照射して反射光スペクトルを測定した（条件１）。反射強度は別途取得したアルミナの反射光スペクトルでもって規格化した。
透光性微細孔体２０の微細孔２１に透光性物質２２を充填し、透光性物質２２の種類を変えて同様の評価を行った。充填する透光性物質２２としては、水（屈折率ｎ＝１．３３、条件２）とエタノール（純度１００％、屈折率ｎ＝１．３６、条件３）を用いた。
各条件における透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２は、以下の通りであった。条件１：１．２５６、条件２：１．４７６、条件３：１．４９６。
透光性微細孔体２０の微細孔２１に透光性物質２２を充填しない空状態（空気（屈折率ｎ＝１）が入った状態）について、分光計器製「ポリクロメータ−Ｍ２５型」を用い、白色光（キセノン光源）を照射して反射光スペクトルを測定した（条件１）。反射強度は別途取得したアルミナの反射光スペクトルでもって規格化した。
透光性微細孔体２０の微細孔２１に透光性物質２２を充填し、透光性物質２２の種類を変えて同様の評価を行った。充填する透光性物質２２としては、水（屈折率ｎ＝１．３３、条件２）とエタノール（純度１００％、屈折率ｎ＝１．３６、条件３）を用いた。
各条件における透光性微細孔体２０の平均複素屈折率ｎ２は、以下の通りであった。条件１：１．２５６、条件２：１．４７６、条件３：１．４９６。
＜結果＞
得られた反射光スペクトルを図５に示す。図５に示す如く、微細孔２１に透光性物質を充填しない空状態（空気が入った状態、条件１）、微細孔２１に水を充填した状態（条件２）、微細孔２１にエタノールを充填した状態（条件３）では、いずれも多重干渉による吸収が見られ、条件によって異なる吸収ピーク波長を有する反射光スペクトルが得られた。吸収ピーク波長λは、条件１：７３０ｎｍ、条件２：８０４ｎｍ、条件３：８１０ｎｍであった。条件１と条件２、条件１と条件３では、吸収ピーク波長λの相違により異なる色の反射光が出射されていることが肉眼でも確認された。
得られた反射光スペクトルを図５に示す。図５に示す如く、微細孔２１に透光性物質を充填しない空状態（空気が入った状態、条件１）、微細孔２１に水を充填した状態（条件２）、微細孔２１にエタノールを充填した状態（条件３）では、いずれも多重干渉による吸収が見られ、条件によって異なる吸収ピーク波長を有する反射光スペクトルが得られた。吸収ピーク波長λは、条件１：７３０ｎｍ、条件２：８０４ｎｍ、条件３：８１０ｎｍであった。条件１と条件２、条件１と条件３では、吸収ピーク波長λの相違により異なる色の反射光が出射されていることが肉眼でも確認された。
以上の評価から、本発明によれば、特定波長の光に対して吸収特性を示す光変調デバイスが得られ（実施例では反射光スペクトルが白色光を入射したときの変調光スペクトルである。）、透光性微細孔体２０の微細孔２１に充填する透光性物質２２の種類を変更することで透光性微細孔体２０の平均複素屈折率を簡易に変更することができ、光変調特性を簡易に変更することができることが示された。
本発明の光変調デバイスは、干渉フィルタ、表示デバイス等として利用できる。
１、２、３ 光変調デバイス
１０ 第１の反射体
１１ 貫通孔
２０ 透光性微細孔体
２１ 微細孔
２２ 透光性物質
３０ 第２の反射体
３１ 貫通孔
４０ 被陽極酸化金属体
４１ 金属酸化物体
４２ 非陽極酸化部分
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 変調光
１０ 第１の反射体
１１ 貫通孔
２０ 透光性微細孔体
２１ 微細孔
２２ 透光性物質
３０ 第２の反射体
３１ 貫通孔
４０ 被陽極酸化金属体
４１ 金属酸化物体
４２ 非陽極酸化部分
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 変調光
Claims (8)
- 光入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体と、透光性物質が充填される入射光の波長より充分に小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体と、完全反射性を有する第２の反射体とを順次備え、前記第１の反射体と前記第２の反射体とが、該両反射体間で前記入射光が多重反射を生じる共振構造を有してなり、
前記透光性微細孔体の平均複素屈折率及び厚みに応じて、前記両反射体間における前記入射光の多重反射光の多重干渉により特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性により前記入射光が変調されて、前記第１の反射体から変調光が出射されるものであることを特徴とする光変調デバイス。 - 光入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体と、透光性物質が充填される入射光の波長より充分に小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体と、半透過半反射性を有する第２の反射体とを順次備え、前記第１の反射体と前記第２の反射体とが、該両反射体間で前記入射光が多重反射を生じる共振構造を有してなり、
前記透光性微細孔体の平均複素屈折率及び厚みに応じて、前記両反射体間における前記入射光の多重反射光の多重干渉により特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性により前記入射光が変調されて、前記第１の反射体及び前記第２の反射体の少なくとも一方から変調光が出射されるものであることを特徴とする光変調デバイス。 - 前記複数の微細孔に充填される前記透光性物質が、電気的に複素屈折率が変更可能な液晶であり、
前記透光性微細孔体の平均複素屈折率が、前記透光性物質の複素屈折率が電気的に変更されることにより変更可能とされており、
該平均複素屈折率の変更に応じて吸収される光の波長が変更可能とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調デバイス。 - 前記透光性微細孔体は前記複数の微細孔が前記第１の反射体側の面において開口したものであり、前記第１の反射体は前記複数の微細孔に各々連通する複数の貫通孔を有し、該複数の貫通孔を介して前記複数の微細孔に対して各々前記透光性物質が出入自在とされており、
前記透光性微細孔体の平均複素屈折率が、前記複数の微細孔に充填される前記透光性物質の種類及び量の少なくとも一方が前記貫通孔を介する該透光性物質の出し入れにより変更されることにより変更可能とされており、
該平均複素屈折率の変更に応じて吸収される光の波長が変更可能とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調デバイス。 - 前記透光性微細孔体は前記複数の微細孔が前記第２の反射体側の面において開口したものであり、前記第２の反射体は前記複数の微細孔に各々連通する複数の貫通孔を有し、該複数の貫通孔を介して前記複数の微細孔に対して各々前記透光性物質が出入自在とされており、
前記透光性微細孔体の平均複素屈折率が、前記複数の微細孔に充填される前記透光性物質の種類及び量の少なくとも一方が前記貫通孔を介する該透光性物質の出し入れにより変更されることにより変更可能とされており、
該平均複素屈折率の変更に応じて吸収される光の波長が変更可能とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調デバイス。 - 前記複数の微細孔は、前記第１の反射体側から前記第２の反射体側に向けて延びる略ストレート孔であることを特徴とする請求項４又は５に記載の光変調デバイス。
- 前記透光性微細孔体は被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化して得られる金属酸化物体からなり、前記第２の反射体は前記被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分からなり、前記第１の反射体は前記透光性微細孔体に成膜された金属層からなることを特徴とする請求項４に記載の光変調デバイス。
- 前記透光性微細孔体は、被陽極酸化金属体の全体を陽極酸化して得られる金属酸化物体、若しくは、被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化し、さらに該被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分を除去して得られる金属酸化物体からなり、前記第１の反射体及び前記第２の反射体はいずれも前記透光性微細孔体に成膜された金属層からなることを特徴とする請求項４又は５に記載の光変調デバイス。
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