JPH01150117A - 反射型光変調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は反射型光変調装置に関し、特に回折格子と液晶
等の光学的異方性を有する物質を利用して光の通過や遮
光等を行ない、光学表示を行なった反射型光変調装置に
関するものである。

（従来の技術） 従来より入射光の通過や遮光を制御し、光学表示を行な
った技術は、自己発光型の表示と別号類されライトバル
ブ型表示と呼ばれている。このライトバルブ型表示は各
種の方式が提案されており、一部実用化されているが、
いずれの方式も入射光を遮光する機能を有する部材とし
て、例えば偏光板、吸収材、散乱材等を利用している。

これらの表示方式の中で特に回折格子を利用し、その０
次回折光を制御する方式は回折減色型の色フィルターの
分野で良く知られており、光利用効率が高く、他方式に
比べて明るく、しかも鮮明な表示ができる特徴がある。

例えば米国特許第４２５１１３７号ではストライプ状の
レリーフ型格子と屈折率異方性を有した液晶とから構成
し、該液晶の光学軸を電界により制御した可変回折減色
フィルターを提案している。

該可変回折減色フィルターは回折格子をある一方向に周
期性を有するように配置し、その長方形断面の凹溝に液
晶を封じた構成を採っている。液晶の屈折率異方性を利
用する構成では、その格子に制御される光は振動方向に
異方性を有したもの、即ち回折格子の格子溝と平行な振
動方向の光であるものに限られる。そこで同米国特許で
は格子方向が直交するように２枚の格子を重ね合わせる
ことによりランダムな偏光成分の集合である白色光に対
し光制御を行っている。

しかしながら前記従来例のようにフィルターとして面内
において一様均一な制御を与える場合は別として、それ
以外の応用、例えば回折格子部分にパターン或いはドツ
トを形成し、各部分を独立に制御する光学表示装置に適
用する場合、格子を２枚用いて構成することは、２つの
格子を精度良く重ね合わせなければならず、又装置全体
及び液晶の制御系が複雑になってくる傾向があった。

（発明が解決しようとしている問題点）本発明は、特定
の偏光方向の光束に限らず、ランダムな偏光成分が集合
した自然光による表示が可能で、しかも光利用効率の高
い簡易な構成の反射型光変調装置の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のこの目的は光の進行方向より可変回折格子部、
λ／４板、反射面を順に配設した光変調装置であって、
該可変回折格子部は光学的等方性を有する第１の物質に
より凹凸部が形成されており、該凹凸部には光学的異方
性を有する第２の物質が充填されており、該第２の物質
の屈折率を制御することにより、前記可変回折格子部よ
り入射し、前記反射面で反射されて再度前記回折格子部
により出射する光を変調したことである。

〔実施例〕

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の反射型光変調装置の一
実施例を示す断面図である。

同図（Ａ）は本反射型光変調装置に電圧を印加した状態
を示す断面図、同図（Ｂ）は同じく電圧無印加の状態を
示す断面図である。

同図（Ａ）、（Ｂ）において、１は回折格子で光学的等
方性を有する第１の物質からなり、一方の面に周期構造
を有する凹凸部である微細なレリーフ状格子を形成して
いる。２はネマチック液晶で回折格子の凹溝に充填して
いる第２の物質であるが、光学的異方性を有する物質で
あれば他のものであってもよい。該回折格子１とネマチ
ック液晶２により可変回折格子部を形成している。３は
透明基板でネマチック液晶２のシール板の役目をしてお
り、ガラス、プラスチック等を用いる。

４はλ／４板、５は反射鏡である。

又、６．７は夫々互いに直交する偏光方向を有する入射
光であり、回折格子１の格子方向（以後、単に「格子方
向」という。）に直交する振動面を有する偏光光は↓印
、同じく格子方向に平行な振動面を有する偏光光は■印
で示している。

又、−印やｍｍはネマチック液晶２の光学軸の方向を示
し、・印の状態での該光学軸は格子方向（紙面に対して
垂直方向）を向いており、一方一印は、前記ｍｍの光学
軸に対して直交する方向（紙面に平行な方向）を向いて
いる。

尚、本実施例においては、ネマチック液晶２に電界を印
加する為の透明電極は省略している。

一般に、ランダムな偏光方向をもつ自然光や円偏光は、
図示している様に、その成分を直交する２つの偏光成分
６．７に分けて考えることができるので、夫々の成分に
ついて説明を行ない、本発明の反射型光変調装置が自然
光、円偏光、さらに直線偏光等、どのような偏光状態の
光でも機能することを以下に示す。

同図（Ａ）において、電圧印加時に回折格子１の屈折率
とネマチック液晶２の常屈折率を略等しくなるように設
定している為に単に平行平板が存在しているのと同等の
状態が作られるから、入射光６及び７は偏光方向に依ら
ずに直進し、λ／４板４を通過し、反射鏡５で反射され
、再びλ／４板４を通過する。ここで、λ／４板４はそ
の光学軸を格子方向と４５°の角度をなすように配設し
ている為、入射光６及び７が該λ／４板４を２回通過し
たときに、該入射光６及び７の偏光面は入射時の偏光方
向に対して９０°回転させられることになる。

しかし、前述の如く回折格子１の屈折率とネマチック液
晶２の常屈折率を略等しくしている為に、入射光６及び
７は偏光方向に依らずに直進し、正反射することになる
。つまり、入射光６及び７は偏光方向に依らずに、本反
射型光変調装置によって正反射方向に導光される。

従フて、本反射型光変調装置において電界を印加した部
分に入射ひた自然光は光量損失なく反射され、表示状態
となる為、光利用効率は極めて高くなる。

次に電圧を印加しない同図（Ｂ）において、回折格子１
の格子方向に平行な偏光方向を有する入射光７は、ネマ
チック液晶２の異常屈折率を感じる為、回折格子１との
屈折率差により回折される。

その後、該回折光はλ／４板４を通過し、反射鏡５で反
射され、再びλ／４板４を通過する。

このとき、入射光７は、その偏光の振動面を９０°回転
させられ、格子方向に垂直な振動面を有する偏光光７１
に変化している。

従って、その後、該偏光光７１はネマチック液晶２の常
屈折率を感じる為、回折は生じず、偏光光７１はそのま
ま透過していく。即ち、正反射方向に反射される光束は
生じない。

一方、格子方向に直交する振動面を有する偏光光６はネ
マチック液晶２の常屈折率を感じる為、回折格子１によ
って、回折効果をうけることなくそのまま透過し、λ／
４板４を通過して後、反射鏡５で反射され、再びλ／４
板４を通過する。

このとき、λ／４板４を２回通過しているので、入射光
６はその振動面を９０”回転させられ、格子方向に平行
な振動面を有する偏光光６１に変化している。　従って
、該偏光光６１はネマチック液晶２の異常屈折率を感じ
る為、回折格子１により回折され、正反射方向へは反射
されない。

本反射型光変調装置に電圧を印加しない場合の以上の説
明をまとめると、自然光等の入射光は入射時と、λ／４
板を２回通過して、再び回折格子１に入射する時のどち
らか若しくは両方で常に回折され正反射方向へ進む光は
生じない。

従って、本反射型光変調装置において、電界を印加して
いない部分へ入射した自然光は、回折されて散乱し、非
表示状態となる。

尚、回折格子１とネマチック液晶２とは同図（Ａ）、（
Ｂ）に示している配置を入れ換えても良い。この場合も
同図（Ａ）、（Ｂ）に示した配置と同様の効果が得られ
る。

以上、説明した本実施例の反射型光変調装置においては
、電圧を印加した表示状態のときに光の損失が極めて小
さい為、明るく視認性の高い表示が得られるという特長
を有している。

これは原理的に光吸収物の光学系を全く用いていないこ
とに依っている。

又、１枚の回折格子で、ランダムな偏光方向な有する自
然光の表示が可能であるという特長も有している。

尚、本実施例において用いているλ／４板４は厳密には
特定の波長の入射光に対してしか波長板としての完全な
働きをしない。しかし実用上は、例えば緑色光（λ＝０
．５５μｍ）に対しては、１次のλ／４板であれば肉眼
で十分に視認性のある表示が可能であり、これに単色の
フィルター、例えば緑色のフィルターを組合わせれば、
通過光束のより完全な光変調が可能となる。

又、λ／４板４として、白色光に対して色消しとしたも
のや、青、緑、赤の各色光に対してのみλ／４板として
の作用をするように設計したもの等を使用することもで
きる。

更に、表示に単色に近い光を用いるときは、ネマチック
液晶２の代りに、非表示色について吸収性を有するもの
でもよく、所謂光二色性色素も使用することも可能とな
る。

次に、本実施例において好ましい設計値としては、回折
格子１の格子ピッチは２．０μｍ、格子の高さは１．５
μｍ、凸部の比率は０．６であり、回折格子１の凹溝部
に正のネマチック液晶（常屈折率ｎｏ＝、１．５２、異
常屈折率ｎ、＝１．７８）を封じて構成したものが良い
。

又、回折格子１の格子形状としては、矩形状、三角波状
、正弦波状等各種の形状を用いることが可能で、格子ピ
ッチ、格子高さ、凸部の比率は本光学変調装置の作成上
の容易性、仕様に係る条件等により決定する。

又、回折格子１を形成する第１の物質の材料としては、
光学的等方性を有する物質であれば利用可能で、ガラス
、Ｓ　ｉ　０２　、ＭｇＯ，ＰＭＭＡ。

ポリスチレン、ポリカーボネート、ＰＶＣｚ　（ポリビ
ニルカルバゾール）、エポキシ樹脂、フォトレジスト等
が好適である。

更に、回折格子１間に充填する第２の物質としては、温
度、圧力、電圧、磁界等によって、屈折率変化の生じる
屈折率可変物質であればよく、例えば光学的異方性を有
する液晶、特にネマチック液晶や強誘電性液晶は屈折率
差（異常屈折率と常屈折率との差）が大きく、制御が容
易である故に好適な物質である。

尚、本実施例では、正のネマチック液晶を用いたが、負
のネマチック液晶を用いてもよく、このときは例えば該
ネマチック液晶へ電圧を印加しないときを表示状態とし
、電界を印加したときを非表示状態をすることができる
。

第２図は本発明の反射型光変調装置をヘットアップデイ
スプレィ装置に適用した一実施例を示す概略図である。

同図において、８は光源でハロゲンランプ等である。９
は凹面鏡で光源８の発散光を反射する。

１３は本発明の反射型光変調装置で回折格子とネマチッ
ク液晶を組み合わせた光変調素子１０とλ／４板反射型
フレネルレンズより成っている。

１４は体積位相型等のホログラムで反射型光変調装置か
らの特定波長の光束を観察者１７の方向へ反射する。１
８は光変調素子１０による表示像である。

光源８からの光束は反射型光変調装置１３に入射する。

第１図の実施例で説明した如く、該反射型光変調装置１
３に入射した光束は、電圧印加時には正反射方向に光量
損失なく反射されホログラム１４に入射して後、観察者
１７に導光され、表示状態となる。

一方、電圧無印加時には回折が生じて入射光束は散乱さ
れ、非表示状態となる。

従って、本実施例は電圧印加時に光の損失が極めて小さ
い為、明るく視認性の高い表示が得られるという、ヘッ
トデイスプレィ装置用の反射型光変調装置として好適な
特長を有している。

第３図は本発明の反射型光変調装置をヘットアップデイ
スプレィ装置に適用した他の一実施例を示す概略図であ
る。

同図において、第２図と同一要素には同一番号を付して
おり、１６１．１６２．１６３は各々凸レンズである。

本実施例は表示システムとしての原理は第２図と同じで
あるが、反射型光変調装置！３の反射型フレネルレンズ
１５は入射光束を収束光として反射するように用いてい
る。

そして、凸レンズ１６１．１６２．１６３を用いて表示
像を所定の倍率、所定の位置に表示するように配置して
おり、視認位置（観察者）１７からは表示像が、所定の
距離はなれた空中に観察される。

従ってホログラム１４は単に反射作用を有するだけでも
良く、また単なるハーフミラ−でも良い。

第４図は本発明の他の一実施例を示す断面図である。同
図において、第１図と同一部材には同一番号を付してい
る。

本実施例は、λ／４板４がシール材としての機能も併せ
持つようにし、加えて、該λ／４板４にＡＩ、Ｃｒ等を
蒸着して反射材とすることにより、反射鏡の役目も付与
している。

従って、本実施例は最小の層数で薄型にかつ安価に構成
できるという利点がある。

第５図は本発明に係る回折格子の他の一構成例を示す断
面図である。第１図（Ａ）、（Ｂ）及び第４図で示した
実施例では回折格子１が１つの材料から形成されていた
が、本図に示すように、異なる２つの材料から回折格子
１を形成することも可能である。

同図において、５１は基板であり、５２は基板５１とは
異なる物質から成る格子である。このとき、格子５２の
屈折率と充填するネマチック液晶等の屈折率可変物質２
の常屈折率を略一致させさえすれば良く、基板５１、格
子５２、ネマチック液晶２の材料の選択の自由度が増す
という利点がある。

例えば、基板５１としては、屈折率を全く気にする必要
が無いので、低コスト化の為、青板、白板等のガラス板
の他、アクリル、ボリカーポ等のプラスチック板も使用
することができる。又、必要に応じて溶融石英、硬質ガ
ラス、低膨張ガラス等の、本来ならば凹凸の加工が困難
であるため用いられなかった材料も使用可能となる。

又、格子５２としては、ポジ型、ネガ型のフォトレジス
トの他、凹凸の型を押し付けて紫外線硬化樹脂や、熱硬
化樹脂を用いることができる。これらの材料は、ネマチ
ック液晶２と屈折率を一致させる為に種々の材料を添加
することができる。

更に、格子５２は構造材としての強度を持たせる必要が
無いため、材料選択の自由度が増す。

（発明の効果） 本発明に依れば、−枚の回折格子と屈折率異方性を有す
る物質と、λ／４板、反射鏡とを用いることにより、２
枚の回折格子をも用いたときと同様の回折効果が得られ
、ランダムな偏光方向を有する自然光等の表示が可能で
あり、しかも、光利用効率が極めて高い為、視認性の高
い明るい表示を得ることができ、又、−枚の回折格子を
用いる為、従来のように２枚の回折格子を積度良く重ね
合わせるという製造上の困難さが無く、微細な表示パタ
ーンを容易に実現することのできる簡単な構成の光学変
調装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図、第２図は本発
明の反射型光変調装置をヘッドアップデイスプレィ装置
に適用した一実施例を示す概略図、第３図は本発明の反
射型光変調装置をヘッドアップデイスプレィ装置に適用
した他の一実施例を示す概略図、第４図は本発明の他の
一実施例を示す断面図、第５図は本発明に係る回折格子
の他の一構成例を示す断面図である。 図中、１は回折格子、２はネマチック液晶、３は透明基
板、４はλ／４板、５は反射鏡、６及び７は入射光、１
３は反射型光変調装置、１４はホログラム、１７は観察
者、１０は光変調素子である。 特許出願人　　キャノン株式会社 見　　１　　　口 （Ａ） ら１ 第　　１　　　図 （Ｂ） 気　　２　　図 １す４　＋コ 長 夷　　３　　図 Ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光の進行方向より可変回折格子部、λ／４板、反
   射面を順に配設した光変調装置であって、該可変回折格
   子部は光学的等方性を有する第１の物質により凹凸部が
   形成されており、該凹凸部には光学的異方性を有する第
   ２の物質が充填されており、該第２の物質の屈折率を制
   御することにより、前記可変回折格子部より入射し、前
   記反射面で反射されて再度前記回折格子部により出射す
   る光を変調したことを特徴とする反射型光変調装置。
2. （２）前記第１の物質の屈折率と前記第２の物質の常屈
   折率とが略等しくなるように設定されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の反射型光変調装置。
3. （３）前記λ／４板と前記反射面とが一体で形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の反射
   型光変調装置。