(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の基板と、前記基板の一方の基板上に配置されている複数の電極と、前記複数の電極に接して設けられたエレクトロクロミック層と、前記エレクトロクロミック層を介して前記複数の電極に対向して設けられた対向電極とを有する光学素子であって、前記複数の電極の隣り合う電極の一方の電極は基板との間に絶縁層を有し、かつ前記絶縁層の厚さは他方の電極の厚さよりも大きいことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記複数の電極の隣り合う電極は、前記基板からの距離が異なることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記複数の電極の隣り合う電極は、それぞれが重なりあう領域を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記複数の電極はパターニングされた電極からなり、前記電極は着色電圧および消色電圧を印加することにより回折格子を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記複数の電極の回折格子は、格子間の開口部である消色部の基板からの距離が、各開口部でほぼ一定であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記エレクトロクロミック層が固体エレクトロクロミック材料からなり、前記エレクトロクロミック層に接して電解質層が設けられ、前記基板からの距離の異なる複数の電極の膜厚と、前記エレクトロクロミック層の膜厚が同一のときに、電解質層の屈折率ｎ（Ｐ）、入射する光の波長λ（ｎｍ）、光学素子に対して垂直方向からの入射角θ（°）としたときに、絶縁層の屈折率ｎ（Ｉ）、絶縁層の膜厚Ｔ（Ｉ）（ｎｍ）が、下記の式（１）の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の光学素子。
｜（ｎ（Ｐ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｐ））２）１／２−ｎ（Ｉ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｉ））２）１／２）×Ｔ（Ｉ）｜≦（ｎ±１／４）λ      （１）（ｎは０または１以上の整数を表す。）
【請求項７】
前記エレクトロクロミック層が溶液析出型エレクトロクロミック材料からなり、前記基板からの距離の異なる複数の電極の膜厚が同一のときに、エレクトロクロミック層の屈折率ｎ（Ｅ）、入射する光の波長λ（ｎｍ）、光学素子に対して垂直方向からの入射角θ（°）としたときに、絶縁層の屈折率ｎ（Ｉ）、絶縁層の膜厚Ｔ（Ｉ）（ｎｍ）が、下記の式（２）の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の光学素子。
｜（ｎ（Ｅ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｅ））２）１／２−ｎ（Ｉ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｉ））２）１／２）×Ｔ（Ｉ）｜≦（ｎ±１／４）λ      （２）（ｎは０または１以上の整数を表す。）
【請求項８】
前記複数の電極がパターニングされた電極に選択的に着色電圧を印加し、それ以外の電極には消色電圧を印加することによって回折格子を発現し、前記着色電圧を印加する電極と消色電圧を印加する電極の組み合わせを変えることにより発現する格子の周期を変え、全電極に消色電圧を印加することによって回折格子を消滅して入射光を透過し、全電極に着色電圧を印加することによって回折格子を消滅して入射光を吸収あるいは拡散、反射することができることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロクロミックを用いた光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子は光の回折現象を利用して分光し、特定の波長の光を取り出す等に用いられる光学素子である。回折格子を透過あるいは反射した光の一部が残りの光と一定の光路差を持つことによって回折現象を生じる。このため、回折格子は最も簡単には金属細線を等間隔に並べたものや、透明基板上に一定深さの等間隔の溝を形成したもの、反射性基板上に同様の一定深さで等間隔の溝や鋸歯状の凹凸を形成することによって実現される。通常これらの構造は変化することがないので、回折波長や回折角を変化させることは難しい。また、回折格子のある状態と回折格子のない透明な状態や均一反射状態、あるいは全面が光を通さない状態との切り替えが難しい。
【０００３】
これに対して、特許文献１では、エレクトロクロミック材料を用いた回折格子を作成し、回折格子がない透明な状態と、回折格子が出現した状態が切り替えられる光学素子が提案されている。また、格子を１本おきに電圧制御して着色し、回折格子のピッチを２倍に変化させることが提案されている。
【０００４】
具体的には、特許文献１の光学素子は、図１０（ａ）に示すように、２枚の基板１ａ、１ｂがスペーサ７を介して接着され、対向する基板の内側にそれぞれ電極が形成され、その間にエレクトロクロミック溶液１４が封入されている。対向する基板の内側には、一方の基板１ａ上には着色電極１２として透明電極材料で周期Ｘの回折格子パターンが形成されている。もう一方の基板１ｂには光路にかからない周辺部に対向電極１３が形成されている。エレクトロクロミック溶液としてはビオロゲン化合物やヨウ化銀等が用いられる。この光学素子の着色電極１２に着色電位、対向電極１３に逆電位を印加すると、電極上に着色物質が析出し、周期Ｘの回折格子が出現する。また、対向電極と着色電極に印加する電位の極性を逆にすると電極上の着色物質が溶解して消色し、回折格子が消滅する。更に、図１０（ｂ）のように、回折格子の各格子を形成する電極を交互に配線し２組の電極１２ｃ，１２ｄとし、両方の電極に着色電位を印加すると周期Ｘの回折格子、一方のみ着色電位を印加すると周期２Ｘの回折格子を出現させることができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１９７９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている光学素子には、以下の様な問題点がある。上記の図１０（ｂ）に記載されている回折格子では、回折格子の基本周期Ｘの２倍の周期しか発現させることができない。また、各回折格子の電極に独立に電位を印加し着消色を制御したとしても、基本周期Ｘの整数倍の周期の回折格子しか発現することができない。
【０００７】
また、基本周期に対する倍数が大きくなると、回折格子の１周期に対する着色部の割合が小さくなる。例えば、図１０（ｂ）において、電極１２ｃにのみ着色電位をかけると、周期２Ｘの回折格子が発生するが、このとき着色部の幅は電極の幅で、（２Ｘ−電極の幅）が消色部となり、回折格子周期の半分以上の部分で光が透過することになる。このように消色部、つまり光の透過部分の幅が広がると、回折格子による単色化性能が低下するという問題が生じる。これを防止するために、電極を複数本ずつ着消色する方法が考えられるが、各電極間は着色しないため、回折格子として用いた場合この部分による不要回折光が発生するという問題が発生する。
【０００８】
更に、透明電極材料として一般的にはＩＴＯ、ＩＺＯ等が用いられるが、これらは可視光に透過率は持つものの、若干の吸収を持つ。このため図１０（ａ）のような素子構造では、透明状態でも電極のある部分とない部分で吸収の差が若干生じ光路面内で透過率ムラやこれによる回折が若干発生するという問題もある。
【０００９】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、回折格子の発現および消滅が可能で、かつ発現する回折格子の格子周期を変えることができる光学素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決する光学素子は、対向する一対の基板と、前記基板の一方の基板上に配置されている複数の電極と、前記複数の電極に接して設けられたエレクトロクロミック層と、前記エレクトロクロミック層を介して前記複数の電極に対向して設けられた対向電極とを有する光学素子であって、前記複数の電極の隣り合う電極の一方の電極は基板との間に絶縁層を有し、かつ前記絶縁層の厚さは他方の電極の厚さよりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回折格子の発現および消滅が可能で、かつ発現する回折格子の格子周期を変えることができる光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光学素子の一実施例を示す模式図である。
【図２】図１に示す光学素子の着色状態を示す模式図である。
【図３】本発明の光学素子の他の実施例を示す模式図である。
【図４】本発明の光学素子の他の実施例を示す模式図である。
【図５】本発明の光学素子の他の実施例を示す模式図である。
【図６】本発明の絶縁層にＥＣ材料を用いた光学素子を示す概略図である。
【図７】本発明の光学素子の他の実施例を示す模式図である。
【図８】本発明の光学素子の他の実施例を示す模式図である。
【図９】本発明の光学素子の他の実施例を示す模式図である。
【図１０】従来の光学素子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
本発明に係る光学素子の構造は、用いられるエレクトロクロミック材料によって大きく２つに大別される。１つは溶液析出型エレクトロクロミック材料を用いた光学素子で、対向する一対の基板と、前記基板の一方の基板上に配置されている複数の電極と、前記複数の電極に対向して設けられた対向電極とを有し、その電極間にエレクトロクロミック溶液を封入した光学素子であって、前記複数の電極の隣り合う電極の一方の電極は基板との間に絶縁層を有し、かつ前記絶縁層の厚さは他方の電極の厚さよりも大きいことを特徴とする。
【００１５】
前記複数の電極の隣り合う電極は、前記基板からの距離が異なることが好ましい。具体的には、複数の電極の厚さは導電性の観点から３０ｎｍ以上、透過率の観点から５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が望ましい。前記絶縁層の厚さは、十分な絶縁性を得るため１００ｎｍ以上、光の有効利用の観点から５０００ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が望ましい。
【００１６】
前記複数の電極の隣り合う電極は、それぞれが重なりあう領域を有することが好ましい。
【００１７】
前記複数の電極はパターニングされた線状の電極からなり、前記電極は着色電圧および消色電圧を印加することにより回折格子を形成することが好ましい。
【００１８】
前記複数の電極の回折格子は、格子間の開口部である消色部の基板からの距離が、各開口部でほぼ一定であることが好ましい。
【００１９】
もう１つは固体エレクトロクロミック材料を用いた光学素子で、前記溶液析出型エレクトロクロミック材料による光学素子と同様に一方の基板上の複数の電極と対向電極を有し、複数の電極それぞれに接して固体エレクトロクロミック層が設けられ、更に前記固体エレクトロクロミック層と対向電極間に電解質が封入されている。前記基板からの距離の異なる複数の電極の各膜厚が均一で、前記固体エレクトロクロミック層の各膜厚が均一のときに、電解質の屈折率ｎ（Ｐ）、入射する光の波長λ（ｎｍ）、光学素子に対して垂直方向からの入射角θ（°）としたときに、絶縁層の屈折率ｎ（Ｉ）、絶縁層の膜厚Ｔ（Ｉ）（ｎｍ）が、下記の式（１）の関係を満たすことが好ましい。
｜（ｎ（Ｐ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｐ））２）１／２−ｎ（Ｉ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｉ））２）１／２）×Ｔ（Ｉ）｜≦（ｎ±１／４）λ      （１）
（ｎは０または１以上の整数を表す。）
【００２０】
前記エレクトロクロミック層が溶液析出型エレクトロクロミック材料からなり、前記基板からの距離の異なる複数の電極の膜厚が同一のときに、エレクトロクロミック溶液の屈折率ｎ（Ｅ）、入射する光の波長λ（ｎｍ）、光学素子に対して垂直方向からの入射角θ（°）としたときに、絶縁層の屈折率ｎ（Ｉ）、絶縁層の膜厚Ｔ（Ｉ）（ｎｍ）が、下記の式（２）の関係を満たすことが好ましい。
｜（ｎ（Ｅ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｅ））２）１／２−ｎ（Ｉ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｉ））２）１／２）×Ｔ（Ｉ）｜≦（ｎ±１／４）λ      （２）
（ｎは０または１以上の整数を表す。）
【００２１】
前記複数の電極の間隔が使用波長の１／２以下であることが好ましい。
【００２２】
前記パターニングされた複数の電極に選択的に着色電圧を印加し、それ以外の電極には消色電圧を印加することによって回折格子を発現し、前記着色電圧を印加する電極と消色電圧を印加する電極の組み合わせを変えることにより発現する格子の周期を変え、全電極に消色電圧を印加することによって回折格子を消滅して入射光を透過し、全電極に着色電圧を印加することによって回折格子を消滅して入射光を吸収あるいは拡散、反射することができることが好ましい。
【００２３】
エレクトロクロミック素子はエレクトロクロミック材料の電気化学的な酸化、還元反応による着消色を利用した素子であり、材料への電圧印加により着消色を可逆的に行うことができる。本発明では、このエレクトロクロミック素子を用いた発現、消滅可能な回折格子において、発現した回折格子の周期の可変自由度の高い光学素子を提供する。
【００２４】
エレクトロクロミック素子の基本構造は、２枚の基板の一方に電極（着色電極）を形成し、もう一方の基板に対向電極を形成し、この電極面を内側にしてスペーサ−を介して接着し、その間にエレクトロクロミック材料を含むエレクトロクロミック層を封入した構造となっている。
【００２５】
エレクトロクロミック層（以降、ＥＣ層と略することがある）の構造は、使用するエレクトロクロミック（以降、ＥＣと略することがある）材料によって２種類に大別できる。このうち１種類は、固体ＥＣ材料を用いた素子であり、他の種類は溶液析出型ＥＣ材料を用いた素子である。
【００２６】
固体ＥＣ材料は、電極上にＥＣ材料を膜化し、その膜と電解質材料とを接触させ、電圧によって電荷とイオンがＥＣ材料と電解質材料の間で移動することで着消色する。ＥＣ素子は最も簡単には、片方の基板上に着色電極とＥＣ層が形成され、もう一方の基板上には対向電極が形成され、ＥＣ層と対向電極間に電解質が封入された構造となっている。固体エレクトロクロミック材料としては酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化チタン、酸化ニオブ等に代表される金属酸化物やプルシアンブルー、フタロシアニン化合物等の金属錯体化合物が代表的に用いられる。これらは蒸着法、スパッタ法、電解析出法、スピンコート法等の方法を用いて膜化して用いられる。回折格子を形成するためには、比較的薄い膜厚で構成でき、着消色の濃度差が大きい材料が好ましく用いられる。
【００２７】
もう１種類は、ビオロゲン化合物、ヨウ化銀等に代表される溶液析出型ＥＣ材料である。このＥＣ材料は溶液状態で用いられ、電極に電圧が印加されると電極上に着色物質が析出するものである。溶液析出型ＥＣ素子は、最も簡単には、前記特許文献１のように相対する電極を形成した基板の間に溶液状態のＥＣ材料を封入した構造になっている。回折格子に用いるためには、電極上に析出して明瞭なパターンを形成できる材料が好ましい。このため、基板上に比較的薄い膜厚で析出し、高濃度を呈する材料が好ましい。特に着消色時の光学特性を考慮し、使用波長に対して着色時に十分な色濃度を持ち、消色時に吸収が少ない材料を選択する。
【００２８】
エレクトロクロミック素子を光学素子として用いる場合、透過型素子と反射型素子が挙げられる。どちらの素子においても光が透過する側の基板は使用波長の光に対して透明である必要がある。一般的には光学ガラスが用いられる。また、光路内にあり着消色するために用いられる電極も使用波長の光に対して消色時には透明である必要がある。加えて、エレクトロクロミック反応に影響を及ぼさず、それ自身も劣化を起こさないことが要求される。一般的にはＩＴＯ、ＩＺＯ等の透明電極材料が用いられる。光路外で用いられ、透明となる必要のない電極には、金属やカーボンなどの電極材料等が使用可能である。ただし、金属材料は前記化学反応の阻害や電極自身の劣化が起らない材料を選択することが肝要である。
【００２９】
液体電解質としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、スルホラン、γ−ブチロラクトン、ジメチルホルムアマイド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等の有機溶媒又はこれらの混合物に、アルカリ金属塩、４級アンモニウム塩等を溶解させた溶液等が用いられる。
【００３０】
液状電解質だけでなく、固体電解質、ゲル状電解質も用いることができる。固体電解質としては、例えばポリエチレンオキシド、ポリオキシエチレングリコールポリメタクリレート等のポリマーマトリックスにアルカリ金属塩、４級アンモニウム塩等を溶解させた高分子固体電解質等が挙げられる。ゲル状電解質は、アクリル系モノマーと支持塩を含む溶液を架橋重合させたもの等が用いられる。
【００３１】
本発明では、格子周期の可変自由度が高い回折格子を提供するために、着色電極を線状にパターニングし、各電極を隣り合う電極と絶縁層を挟んで基板から異なる距離に配置し、隣り合う電極に独立に電圧を印加することを可能としたものである。これにより、回折格子の格子部分と格子間部分が自由に着消色可能となり、格子周期の可変自由度が高い、周期可変の回折格子を発現できる光学素子を提供できる。
【００３２】
着色電極をパターニングする方法としてはリソグラフィ法等が用いられる。着色電極間に用いられる絶縁層は使用波長の光に対して透明である必要があり、一般的にはＳｉＯ２、ＳｉＮ等が用いられる。しかしながら、しばしばその屈折率を、電極材料や電解質材料とその膜厚に対して一定関係にあわせる必要が生じる。このため、必要に応じて適切な屈折率の透明絶縁体材料が用いられる。どのように屈折率をあわせるかは、電極層、絶縁層、エレクトロクロミック層の構造によって異なる。
【００３３】
本発明の光学素子は、エレクトロクロミック素子により回折格子を発現消滅可能であり、かつ出現する回折格子の格子周期を変えることができる。また、本発明の光学素子は、前記回折格子パターンをなす電極の少なくとも一部が絶縁層を介して、隣り合う電極と基板から垂直方向に異なる距離に配置され、隣り合う電極で異なる電位を印加することによって、各電極を独立に着消色することが可能となり、また格子周期の可変自由度が高いことを特徴とする。また、本発明は、前記回折格子で、波長分解能の調整が可能で、かつ不要回折光の発生を抑制することができる。更に、波長以下の周期を持つ格子を発現することにより偏光特性を発現消滅可能で、かつ偏光度を調整できる、波長板を提供することが可能である。
【実施例】
【００３４】
以下に本発明の実施例を示し、具体的な実施体様を示して説明する。
【００３５】
（実施例１）
固体エレクトロクロミック材料を用いた透過型回折格子に本発明を適用した場合の実施例を示す。
【００３６】
図１は、本発明の光学素子の一実施例を示す模式図である。図１（ａ）は、本発明の光学素子の概略断面図を示す。本発明の光学素子は、対向する一対の透明基板１ａ、１ｂがスペーサー７を介して配置され、一方の透明基板１ａの上には回折格子状にパターニングされた複数の着色電極２が形成され、他方の透明基板１ｂの内面には対向電極３が形成されている。前記複数の着色電極２に接してＥＣ層４が形成され、ＥＣ層４と対向電極３の間に電解質液５が封入されている。
【００３７】
図１（ｂ）は着色電極２を光路側Ｐより見た模式図である。着色電極は、隣り合う２種類の電極２ａと２ｂが周期Ａでほぼ隙間なく交互に並列配置されている。電極２ａは基板上に電極が形成され、電極２ｂは基板上に設けられた絶縁層６の上に形成され、電極２ａと２ｂは絶縁体６を介して基板から異なる距離に配置されている。各電極上にはＥＣ層４が一定膜厚でそれぞれ積層されている。絶縁層６の膜厚は電極２ａの膜厚より厚く、更に好ましくは電極層２ａとその上のＥＣ層の膜厚より厚く、電極２ａと２ｂは絶縁され、異なる電位を印加することが可能である。
【００３８】
各電極は発現したい回折格子配列にしたがって着消色できるように配線する。８は電極の配線である。所望の回折格子パターンに応じて、格子部に相当する電極には着色電位を、開口部すなわち光の透過する部分に相当する電極には消色電位を印加する。着色電位を印加する電極と消色電位を印加する電極の組み合わせを変えると、異なる周期の回折格子が発現する。また、全電極に消色電位を印加すると、回折格子は消滅し、入射光はそのまま透過する。逆に全電極に着色電位を印加すると、全面が着色して回折格子は消滅し、ビームストッパー、あるいは特定波長域の光を吸収する波長フィルターとなる。
【００３９】
図２は、本発明の実施例１の着色状態を示す模式図であり、（ａ）は周期２Ａ、（ｂ）は周期３Ａ、（ｃ）は周期４Ａの回折格子が発現した状態、（ｄ）は全面が着色した状態を示す。図２（ａ）では電極２ａと２ｂを一組として、交互に着色電位と消色電位を印加し、周期２Ａの回折格子が発現する。９は着色部、１０は消色部を表す。図２（ｂ）では周期３Ａの回折格子が発現する。図２（ｃ）では周期４Ａの回折格子が発現する。これらの回折格子で開口部の幅は、図２（ａ）がＡ、図２（ｂ）が１．５Ａ、図２（ｃ）が２Ａで、それぞれが周期の１／２となり、格子の周期が変化しても開口部の割合は一定である。したがって、回折格子の分解能を低下させることなく周期を変えることが可能である。
【００４０】
透過型回折格子では、各開口部を透過した光が光路差によって回折を起こす。このため、１つの開口部を透過した光は光路差が生じないようにする必要がある。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）の光学素子では、１つの開口部に電極２ａ部分と電極２ｂ部分が含まれる。このため、１つの開口部内の電極２ａ部と電極２ｂ部を透過した光は光路差が生じないようにしなければならない。そのためには、絶縁層と電解質層に屈折率差の少ない材料を用いることが好ましい。
【００４１】
前記ＥＣ層４が固体ＥＣ材料からなり、前記ＥＣ層４に接して電解質層５が設けられ、前記基板からの距離の異なる電極２ａの膜厚と電極２ｂの膜厚がほぼ等しく、その上のＥＣ層４の膜厚もほぼ等しい場合に、電解質層の屈折率ｎ（Ｐ）、入射する光の波長λ（ｎｍ）、光学素子に対して垂直方向からの入射角θ（°）としたときに、絶縁層の屈折率ｎ（Ｉ）、絶縁層の膜厚Ｔ（Ｉ）（ｎｍ）
とすると、電極２ａ部分と２ｂ部分を透過した光の光路差Δは次式（１）であらわされ、Δは少なくとも１／４λ以下、あるいは（ｎ±１／４）λ以下である必要がある。
Δ＝｜（ｎ（Ｐ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｐ））２）１／２−ｎ（Ｉ）／（１−（ｓｉｎθ／ｎ（Ｉ））２）１／２）×Ｔ（Ｉ）｜≦（ｎ±１／４）λ      （１）
（ｎ＝０，１，２，３，…）
【００４２】
上記の（１ａ）式より、絶縁層を電解質層と屈折率差の少ない材料を選択することで、光路差Δを小さくすることができる。絶縁層と電解質層の屈折率差が小さいとすると、近似的に次の式（３）のような関係が成り立つ。
Δ＝｜（ｎ（Ｐ）−ｎ（Ｉ））×Ｔ（Ｉ）／ｃｏｓθ｜≦（ｎ±１／４）λ      （３）
（ｎ＝０，１，２，３，…）
【００４３】
可視光領域（λ＝４００から８００ｎｍ）で、固体ＥＣ膜等で数百ｎｍ程度の比較的薄い膜厚で作製した構造の場合で、垂直入射に近い入射角度ならば、絶縁層と電解質層の屈折率差を０．２以下程度に抑えることで光路差の影響を少なく抑えることができる。ＥＣ膜の膜厚が厚い場合、入射角度が大きい場合には更に屈折率差を小さく抑える必要がある。通常、電解質層の屈折率は１．２から１．６程度、絶縁層に使用する材料は１．４から１．７程度である。この中で、絶縁層の屈折率と電解質層の屈折率差の少ない材料を適宜選択する。
【００４４】
各開口部を通過した光が回折条件を満たすためには、前述のように各開口部の光路長がそろっている必要がある。前述した屈折率の問題以外に、実際の光路の距離も一定である必要がある。このためには、各開口部の基板からの距離が一定である必要がある。これは、開口部つまり消色部内の電極配列がどの開口部でも同じになるようにすることで達成される。図２（ａ）では各消色部内の電極配列では２ａ，２ｂ、図２（ｂ）では２ａ，２ｂ，２ａ、図２（ｃ）では２ａ，２ｂ，２ａ，２ｂとして、消色部の電極の配列をすべての消色部で同じにすることで光路差が生じないように構成されている。
【００４５】
図２（ｄ）は全電極格子に着色電位を印加した場合である。全ＥＣ層が着色し、回折格子は消滅し、光は透過しなくなる。この場合にＥＣ層材料が着色時に特定波長領域のみを吸収する特性を持つ場合には、波長フィルターとして用いることもできる。逆に全電極格子に消色電位を印加すると、全ＥＣ層は消色し、光が透過する。この際に若干吸収の発生する透明電極層は光路内でほぼ一定膜厚保のため、光路内での透過率分布はほとんど発生しない。
【００４６】
次に、上記の構造からなる光素子の具体的な実施例を示す。
【００４７】
図１（ａ）において、ガラス基板１ａ上に、格子電極２ａ部として膜厚１００ｎｍのＩＴＯ膜と、その上にＥＣ層４として膜厚２００ｎｍの酸化タングステン膜を形成し、幅５００ｎｍ、周期１０００ｎｍの線状パターンに形成する。格子電極２ａ部の間に格子電極２ｂ部として、膜厚４００ｎｍのＳｉＯ２絶縁体膜とその上に膜厚１００ｎｍのＩＴＯ膜を形成し、更にＥＣ層４として膜厚２００ｎｍの酸化タングステン膜を線状パターンに形成する。電極格子はそれぞれ２ａと２ｂを１組にして配線し、４組ごとに電圧印加できるように配線する。
【００４８】
対向電極３は膜厚１００ｎｍのＩＴＯ膜を対向する基板の全面に形成する。それぞれの基板を電極側を内面にしてスペーサー７を介して封止する。内部には電解質液として過塩素酸リチウム０．１Ｍのプロピレンカーボネイト溶液を充填し、光学素子を形成する。
【００４９】
この光学素子を波長６３３ｎｍの赤色レーザー光に対して垂直入射で使用する。波長６３３ｎｍに対して、絶縁体ＳｉＯ２の屈折率は１．４５、プロピレンカーボネイトの屈折率は１．４１である。したがって回折格子の開口部の格子電極２ａ部と２ｂ部と透過した光の光路差１６ｎｍで波長に対して十分小さく、光路差の影響はほとんど発生しない。
【００５０】
この光学素子に、図２（ａ）に示す様に、隣り合う電極２ａと２ｂを１組として、隣り合う組に交互に、着色電位−１Ｖ、消色電位１Ｖを印加する。対向電極は接地する。これによって、着色電位を印加した部分のＥＣ層が青色に着色し、周期２０００ｎｍの回折格子が発現する。この回折格子に波長６３３ｎｍの赤色レーザー光を垂直入射すると、入射方向より約１８．５°の方向に１次回折光が現れる。
【００５１】
また、図２（ｂ）に示す様に、隣り合う格子電極２ａ、２ｂ、２ａおよび２ｂ，２ａ，２ｂの組を１組とし、交互に消色電位１Ｖ、着色電位―１Ｖを印加すると、周期３０００ｎｍの回折格子が出現する。この回折格子に先ほどと同じく６３３ｎｍの赤色レーザー光を垂直入射すると、入射方向より約１２．２°の方向に１次回折光が現れる。
【００５２】
更に図２（ｃ）に示す様に、２ａ，２ｂ，２ａ，２ｂをひと組として、各組に交互に着色電位と消色電位を印加すると、周期４０００ｎｍの回折格子が出現する。これにより、６３３ｎｍの赤色レーザー光は入射方向より９．１°の方向に１次回折光があらわれる。
【００５３】
また、図２（ｄ）に示す様に、全格子電極に消色電圧１Ｖを印加すると回折格子は消滅し、光学素子はほぼ透明となる。また、逆に全格子電極に着色電圧−１Ｖを印加すると全面が着色する。
【００５４】
本実施例の光学素子を光学システム内に用いることにより、光学系内で光のＯＮ／ＯＦＦあるいは光路の変更、選択的に特定波長の光を取り出す等に用いることができる。
【００５５】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２の光学素子の模式的断面図であり、（ａ）は消色状態、（ｂ）は周期２Ｂ、（ｃ）は周期３Ｂの回折格子が発現した着色状態を示す。実施例１と同様に、基板上に電極層２ａ，２ｂ、絶縁層６をパターニングして形成した後に、ＥＣ層４を電解重合等により成膜すると、電極２ｂ部の側面にもＥＣ層が形成される。電極２ｂに着色電位が印加された場合には側壁も着色するため、この点を考慮して電極幅を決める必要がある。
【００５６】
また、対向電極３は対向基板上の光路外およびスペーサ側壁に形成されている。ＩＴＯ等の透明電極材料は可視光に対して若干吸収があるため、光路外に設けることにより素子の光利用効率があがる。
【００５７】
具体的な実施態様を示す。ガラス基板１ａ上に透明電極２ａをＩＴＯを用いて幅６００ｎｍ、膜厚１００ｎｍ、周期１０００ｎｍの回折格子パターンに形成する。その間の部分にＳｉＯ２の絶縁層６を幅４００ｎｍで膜厚３００ｎｍを形成し、更にその上にＩＴＯを用いた電極層２ｂを膜厚１００ｎｍで形成する。
【００５８】
アセトニトリルにポリプロピレンジオキシチオフェン０．０１Ｍ、過塩素酸テトラブチルアンモニウム０．１Ｍを溶解した溶液に、前記基板１ａを浸漬し、着色電極すべてに２．３Ｖを印加すると、電極上に電解重合によりポリプロピレンジオキシチオフェンの膜が形成され、１０００秒で厚さ約２００ｎｍの膜が形成される。この膜はＥＣ層４であり、電極側面にも形成され、電極２ｂ上のＥＣ層の凸部は幅６００ｎｍ程になる。
【００５９】
もう一方の基板１ｂには光路周辺部にカーボン電極３を形成し、内壁部分に同様にカーボン電極を形成したスペーサ７を用いて、前記回折格子パターンを形成した基板と貼り合わせる。電解質５として、内部に過塩素酸リチウム０．１Ｍのプロピレンカーボネイト溶液を電解質液として充填する。
【００６０】
電極２ａと隣り合う電極２ｂを１組として、この組に交互に着色電圧２Ｖ、消色電圧−１．３Ｖを印加すると、着色部分は５８０ｎｍに吸収ピークをもつ青色を呈し、図３（ｂ）のように周期２０００ｎｍの回折格子が発現する。また、前記電極の組を１組消色、２組着色の順で繰り返し着消色すると、図３（ｃ）に示すように周期３０００ｎｍの回折格子が発現する。
【００６１】
（実施例３）
本発明を溶液析出型のエレクトロクロミック材料を用いた光学素子に適用した例を示す。図４は、本発明の実施例３の光学素子の模式的断面図であり、（ａ）は消色状態、（ｂ）は周期２Ｃ、（ｃ）は周期３Ｃの回折格子が発現した着色状態を示す。
【００６２】
実施例１と同様に、ガラス基板１ａ上に透明電極材料からなる電極層２ａと、絶縁層５の上に電極層２ｂを交互に配した電極パターンを形成する。絶縁層５の膜厚は電極層２ａの膜厚より厚く、電極層２ａと２ｂは異なる電圧を印加することが可能である。この基板と透明電極材料による対向電極３を形成したもう一方の基板１ｂをスペーサ−７を介して接着、封止する。内部に溶液析出型のエレクトロクロミック材料１５を封入する。
【００６３】
実施例１と同様に電極２ｂ部と電極２ａ部を透過する光に光路差が十分小さくなる必要がある。このため、電極層２ａと２ｂの膜厚がほぼ同一ならば、電解質層の屈折率ｎ（Ｅ）、入射する光の波長λ、入射角θ、絶縁層の屈折率ｎ（Ｉ）、膜厚Ｔ（Ｉ）が、実施例１と同様に式（２）を満たす必要がある。したがって、電解質材料と屈折率差の少ない絶縁体材料を選択し、膜厚、入射角を適切に選択することで、光路差の影響を小さくすることができる。
【００６４】
以下に、具体的な素子構成例を示す。透明電極材料ＩＴＯで電極２ａを幅５００ｎｍで周期１００００ｎｍ、膜厚２００ｎｍの格子状電極パターンを形成し、電極２ａ間にＳｉＯ２で絶縁層５を膜厚３００ｎｍ形成した上に電極２ｂを同じくＩＴＯで膜厚１００ｎｍで形成する。対向電極３は光路外に形成する。
【００６５】
ＥＣ材料溶液として、ジメチルスルホキシド１ＭにＫＩ  ０．００２Ｍを溶解したものにＡｇＩを飽和するまで溶解した溶液を用いる。ジメチルスルホキシドの屈折率は１．４８で、ＳｉＯ２は１．４５のため、電極２ａ部分と２ｂ部分を通過する光の光路差はほぼ問題にならない。
【００６６】
この光学素子の各電極格子に所望の回折格子パターンにしたがって着色電位３．２ｍＶ、消色電位−２．８Ｖを印加すると、着色電位を印加した格子電極上に黒色物質が析出し、図４（ｂ），（ｃ）のように回折格子を発現させる。図４（ｂ）では周期１５００ｎｍの回折格子が出現し、図４（ａ）では周期２０００ｎｍの回折格子が発現する。
【００６７】
この回折格子に、６３３ｎｍの赤色レーザー光を素子に対して垂直方向より３０°で入射すると、図４（ｂ）の場合には垂直方向より２５．０°の方向に１次回折光が現れる。また、図４（ｃ）の場合には１８．５°の方向に１次回折光があらわれる。
【００６８】
（実施例４）
図５に固体エレクトロクロミック材料を用いた実施例を示す。本実施例において、格子電極は実施例１と同様に、基板１ａ上に透明電極層２ａを形成した線状パターンと、基板１ａ上に線状に絶縁層６を形成した上に透明電極層２ｂを形成した線状パターンとを交互に配置する。絶縁体層６の膜厚が電極層２ａの膜厚よりも厚く、隣り合う電極が絶縁体を介して基板からの距離が異なり、異なる電位を印加することが可能である。その上の固体ＥＣ層を、電極層２ａ部の上と電極層２ｂ部の上で膜厚を変え、ＥＣ層の表面が平滑になるように形成する。電極層に着色電位を印加すると、ＥＣ層の表面が着色する。このため、回折格子が発現した場合に、開口位置が基板に対して水平になり、開口位置による透過した光の光路差が発生しなくなる。
【００６９】
ただし、電極層２ａ部と２ｂ部で通過するＥＣ層４、電極層２ｂあるいは電極層２ａ、絶縁層５の膜厚が異なるため、それぞれの材料の屈折率差による光路差が発生する問題がある。したがって、実施例１と同様に電極層２ａと２ｂの膜厚がほぼ等しい場合には、式（１）で電解質層の屈折率ｎ（Ｐ）の代わりに、ｎ（ＥＣ）を入れた式が成り立てばよい。したがって、絶縁層材料にＥＣ材料に近い屈折率を持つ材料を選択することでこの影響を小さくすることができる。また、屈折率差をなくすために、絶縁体部をＥＣ材料で構成することも可能である。
【００７０】
この光学素子では、格子電極２ｂ部の上のＥＣ層と格子電極２ａ部の上のＥＣ層では同じ着色電位をかけても、濃度が異なる場合がある。この場合には着色電位を調整して、濃度を均一にすることが可能である。また、格子電極２ｂ部の上のＥＣ層と、格子電極２ａ部上のＥＣ層では、格子電極２ａ部上のほうが着色時に着色領域が広くなる。光学素子を作製する場合には、これを考慮して電極パターンを作製する必要がある。
【００７１】
図６は、絶縁層にＥＣ材料を用いた光学素子を示す概略図である。
【００７２】
図６（ａ）は消色状態、（ｂ）は周期Ｄ、（ｃ）は周期１．５Ｄの回折格子が発現した着色状態を示す。基板１ａに透明電極２ａとしてＩＴＯ膜を膜厚１００ｎｍに成膜し、幅８００ｎｍ，間隔２００ｎｍの回折格子状パターンを形成する。その上にＥＣ材料として導電性ポリアニリンをスピンコート塗布する。ＥＣ材料を用いた絶縁層６ａが、電極間を埋め、更にその上に厚さ１００ｎｍ、基板からの膜厚２００ｎｍで平滑な膜となるようにする。最初のＩＴＯ層の回折格子状の電極間位置に電極２ｂが重なるように幅２００ｎｍ、間隔８００ｎｍ、膜厚１００ｎｍの回折格子状パターンを形成する。その上に更にスピンコートで導電性アニリン膜を２００ｎｍ形成してＥＣ層４とする。形成した電極は所望の回折格子パターンに応じて配線しておく。
【００７３】
もう一方の基板１ｂには光路上に透明電極としてＩＴＯを１００ｎｍ形成する。固体電解質層として、マトリックスポリマーであるポリエチレンオキシド１Ｍに過酸化リチウム０．２Ｍを加えアセトニトリルに溶解して、前記電極およびＥＣパターンを形成した基板に塗布し、乾燥させる。その後両基板を圧着接着し、光学素子とする。
【００７４】
この光学素子の格子電極２ｂに着色電位−１．８Ｖ、格子電極２ａに消色電位１．８Ｖを印加すると、格子電極２ｂの上のＥＣ層４の表面が青色に着色し、周期１６００ｎｍの回折格子が出現する。電極格子２ｂ上の着色部位はパターン幅より広い領域で着色が発生し、ほぼ着色部の幅と消色部の幅が同程度になる。この回折格子に白色光を垂直入射すると、回折角１５°の方向には４１５ｎｍの波長の光が回折される。
【００７５】
これに対し図６（ｃ）のように電極格子２本着色、１本消色の順で繰り返し着消色すると、周期２４００ｎｍの回折格子が出現する。この回折格子に同様に白色光を入射すると、回折角１５°の方向には６２１ｎｍの光が回折される。このように本発明の回折格子を光学系内に用いると、回折格子の周期の切り替えにより、白色光を単色化すると同時に一定回折角方向に異なる波長の光を回折させることができる。
【００７６】
図５のように絶縁層をＥＣ材料ではない材料で形成する例としては、前記ポリアニリンをＥＣ層として用い、絶縁層として酸化アルミ等を好適に用いることができる。ポリアニリンの屈折率は１．５８、酸化アルミの屈折率は１．６３なので、屈折率差の影響を抑えることができる。
【００７７】
（実施例５）
図７は、本発明の実施例５の光学素子の模式的断面図であり、（ａ）は消色状態、（ｂ）は周期Ｅ、（ｃ）は周期２Ｅ、（ｄ）周期３Ｅの回折格子が発現した着色状態を示す。本実施例では基板上に複数の格子にわたるように広い面積で電極２ｅが形成されている。その上に絶縁層６を介して電極層２ｂが線状に周期Ｅでパターニングされて形成され、隣り合うパターンを形成する電極が基板からの距離が異なるように配置されている。電極２ｅの膜厚は２００ｎｍ、絶縁層６の膜厚は３００ｎｍ、電極２ｂの膜厚は２００ｎｍである。電極２ｂの上、およびパターニングされた電極２ｂの間の電極２ｅ上にそれぞれＥＣ層４が形成されている。電極２ｅに着色電位、電極２ｂに消色電位を印加すると、電極２ｅ上のＥＣ層のみが着色し（図７（ｂ））、逆に電位を印加した場合には、電極２ｂのみ着色し、どちらも周期Ｅの回折格子が発現する。
【００７８】
図７（ｃ）のように電極２ｅに着色電位を印加し、電極２ｂを１本おきに着色電位と消色電位を印加すると、周期２Ｅの回折格子が発現する。図７（ｄ）のように電極２ｅに着色電極、電極２ｂに２本おきに消色電位をかけ間の２本に着色電位を印加すると、周期３Ｅの回折格子が発現する。
【００７９】
この光学素子においては、格子周期の可変自由度は少ないが、格子周期を変えても着色部に非着色部ができることがなく、不要回折光の発生がない。また、全面着色、全面消色が可能であるという利点がある。
【００８０】
実施例１から５の透過型回折格子の場合には、基板のもう一方にも対向電極の代わりに回折格子パターンを形成し、両側の回折格子を切り替えて使用することもできる。
【００８１】
（実施例６）
図８に本発明の実施例６として反射型回折格子を示す。着色電極側の基板上には使用波長の光を反射する反射膜１１が形成されている。その上に実施例１と同様に透明電極層２ａと、その上にＥＣ層４が線状にパターニングされて形成されている。その電極間には同様に線状にパターニングされた絶縁層６と、その上に透明電極層２ｂ、固体ＥＣ層４が形成されている。対向電極および電解質層、配線等は実施例１と同じである。透明電極層２ａの膜厚は１００ｎｍ、絶縁層６の膜厚は４００ｎｍ、透明電極層２ｂの膜厚は１００ｎｍである。
【００８２】
反射膜１１としては、金属反射膜、誘電体反射膜等が使用可能である。金属膜を使用する場合には、その上の電極層２ａとの間に絶縁層を形成しておく必要がある。
【００８３】
この光学素子において、電極２ｂに着色電位、電極２ａに消色電位を印加すると、電極２ｂ上のＥＣ層が着色し、電極２ａ上のＥＣ層は透明となって、周期Ｆの回折格子が発言する。対向電極側より入射した光は着色していないＥＣ層、電極２ａを透過し、電極下の反射膜１１で反射され、再度、電極２ａとＥＣ層を透過して、光学素子の外へ射出される。
【００８４】
電極２ｂに消色電位をかけた場合には、着色していないＥＣ層、電極２ｂ、絶縁層を透過し、反射膜で反射され、再度絶縁層、電極２ｂを透過して、素子外へ射出される。このため、電極２ａを通って反射された光と、電極２ｂを通って反射された光は、光路にある物質の屈折率の違いによって、光路差が発生する。
【００８５】
回折格子の周期可変自由度をあげるためには、この光路差がなく、開口部の電極２ａと電極２ｂを組み合わせて使用できることが望ましい。このためには、絶縁層の屈折率と電解質層の屈折率が小さければ光路差がほとんど生じない。あるいは、光路差が波長の整数倍となれば、回折条件が維持される。実施例１のように例えばプロピレンカーボネイトの電解質層とＳｉＯ２あるいはＳｉＮを絶縁層とすればほぼ光路差が生じず、使用することができる。反射膜の上に形成される絶縁層、電極層等の層は、反射防止条件とならないように膜厚を調整する必要がある。
【００８６】
以上述べたように、実施例１から６の回折格子では、基本周期の整数倍だけでなく１．３３倍、１．５倍等の周期にも変更可能である。格子幅の組み合わせにより他の周期へも可能で、格子周期の変更自由度が高い。また、格子周期を変更したときに、開口部と遮蔽部の比率を変えることができるため高い単色性を提供でき、基本周期の回折格子による不要回折光が発生することもない。更に、全面消色時に、透明電極部の吸収による光路内の透過率ムラとそれによる回折が生じることも防止できる。
【００８７】
（実施例７）
本発明の回折格子において、着色電極間の周期を波長よりも小さくすることで偏光特性が得られる。図９は、溶液析出型のＥＣ素子を位相板とした光学素子を示す。電極２にＩＺＯ、絶縁層にＳｉＯ２を用い、電極２ｂの幅１５０ｎｍ、電極２ａの幅２００ｎｍで、図９に示す電極パターンを形成する。電極２ａの膜厚は１００ｎｍ、絶縁層の膜厚は２００ｎｍ、電極２ｂの膜厚は１００ｎｍである。ＥＣ材料溶液として、ジメチルスルホキシド１ＭにＫＩ  ０．００２Ｍを溶解したものにＡｇＩを飽和するまで溶解した溶液を用いる。対向電極は光路外に形成する。ジメチルスルホキシドの屈折率は１．４８で、ＳｉＯ２の屈折率は１．４５のため、電極２ａ部分と２ｂ部分を通過する光の光路差はほとんど問題にならない。
【００８８】
電極２ｂ部分に３．２Ｖの電位を印加し、２ａ部分に−２．８Ｖの電位を印加すると、電極２ｂ上に黒色物質析出し、周期４５０ｎｍの回折格子状のパターンが発現する。これによって、偏光特性が発生する。電極２ａ、２ｂに負電圧を印加すると、格子パターンは消滅し、偏光特性も失われる。電極２ａ、２ｂに正電圧を印加すると全面が着色し、ビームストッパーの役割を果たす。
【００８９】
電極２ｂ部への印加電圧を変えることにより、電極部の着色濃度が変化する。これにより、偏光度を変えることができる。
【００９０】
本実施例により、偏光特性を発現消滅可能で、かつ偏光度を調整できる、波長板を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の光学素子は、回折格子の発現および消滅が可能で、かつ発現する回折格子の格子周期を変えることができるので、光学装置内において波長選択や光路切り替え等に利用することができる。特に小型光学装置において好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１ａ  基板または透明基板
１ｂ  基板または透明基板
２  着色電極または電極
２ａ  基板に近い距離に形成された電極
２ｂ  基板から遠い距離に形成された電極
２ｅ  基板に近い距離に形成され複数格子にわたる電極
３  対向電極
４  ＥＣ層
５  電解質層
６  絶縁層
６ａ  絶縁層
７  スペーサ
８  着色電極の配線
９  着色部
１０  消色部
１１  反射膜
１２  着色電極
１２ｃ  電極
１２ｄ  電極
１３  対向電極
１４  エレクトロクロミック溶液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006025380.tif 000008
【図８】
0006025380.tif 000009
【図９】
0006025380.tif 000010
【図１０】
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