(57)【要約】本発明は、光の強度が、電気的に帯電可能または帯電した粒子５によって変化可能である光変調方法および装置に関する。本発明は、高速および確実に再現可能の光変調を低費用で達成する課題に基づいている。そのために、ガスまたは真空が供給され、その中で粒子５が移動可能であり、ガスまたは真空とともに、少なくとも２つの電極１、２の間で、電極に印加される時間的に可変な電圧に基づき、電極１、２の間の電場の中に存在する電気的に帯電した粒子５が往復で移動するように粒子を含むガス６が生成され、かつ光が変調のために電極１、２の間の粒子を含むガス６を通して送られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調方法であって、光の強度が、電気的に帯電可能または帯電した粒子（５）によって変化可能であり、ガスまたは真空が供給され、該ガスまたは真空の中で粒子（５）が移動可能であり、ガスまたは真空とともに、少なくとも２つの電極（１、２）の間で、電極に印加される時間的に可変な電圧に基づき、電極（１、２）の間の電場の中に存在する電気的に帯電した粒子（５）が往復で移動するように粒子を含むガス（６）が生成され、かつ光が、変調のために電極（１、２）の間の粒子を含むガス（６）を通して送られることを特徴とする、光変調方法。
【請求項２】
電極（１、２）に印加される、下限値と上限値との間の電圧（Ｕ０、Ｕ１）の変化によって光変調が実施され、前記下限値は、特に粒子（５）が本質的に移動されず、または一方の電極（２）の領域に付着する値であり、前記上限値は、該値まで粒子を含むガス（６）を生成可能である値であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電極（１、２）に印加される電圧の周波数および／または振幅に応じて、光変調が実施されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
制御電極（７、９）を用いて粒子を含むガス（６）を形成するために設定した領域が、別の制限電極（８、１０）により外部に対して制限され、制限電極（８、１０）に電圧（Ｕ４、Ｕ６）が印加され、および／または制限電極（８、１０）によって、電気的に帯電した粒子（５）および／または粒子を含むガス（６）が制御電極の間の領域で保持されるように、粒子を含むガスの領域を完全に取り囲む電場が生成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
制御電極（１３）に割当てられた領域に入射する光束の部分が、互いに独立な所定の数の制御電極（１３）を用いて相互に変調されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも２つの電極（１、２）の間で移動可能な電気的に帯電可能または帯電した粒子を含み、該粒子により入射光の強度が変化可能である、光変調のための装置であって、
外部に対して気密または真空密に密閉された変調セルが設けられ、該変調セルの中で、ガスまたは真空が少なくとも両方の電極（１、２）の間に存在し、かつ所定の、特に時間的に可変な電圧（Ｕ０）の印加によって、電極（１、２）の間の電場の中で電気的に帯電した粒子とガスまたは真空とからなる粒子を含むガスが存在するように、電極（１、２）の間の間隔が設けられ、かつ被変調光が、両方の前記電極（１、２）の間の領域に達することを特徴とする、光変調のための装置。
【請求項７】
少なくとも１つの、好ましくは２つの電極（１、２）が、各々他方の電極に対向する側に絶縁層（３、４）を有することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
電極（７、８）の側方の間に粒子を含むガス（１２）を形成することができ、制限電極（８、１０）が所定の間隔（ｄ）で配置されており、粒子（５）または粒子を含むガス（１２）が、制御電極（７、９）を用いて形成された変調セルの中で保持されるように、制限電極（８、１０）に電圧（Ｕ４、Ｕ６）が印加されることを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
互いに独立した電圧で作動可能な所定数の制御電極（１３）が設けられており、該制御電極に、好ましくはただ１つの共通の第２制御電極（１４）が対向して配置されていることを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
制限電極（２１、２２）が、所定の角度で、好ましくはそれぞれ９０゜で、制御電極（１８、１９）に対して配置されており、および／または制限電極（２１、２２）が、粒子を含むガスの領域を側方に制限し、および／または制限電極（２１、２２）が光透過性に形成されていることを特徴とする、請求項６から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記電極（１８−２０）の少なくとも１つが、好ましくは全部が、電気絶縁層（３６）によって、モジュール式のガスの領域に向う側で覆われていることを特徴とする、請求項６から１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
装置が、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を実施するために形成されていることを特徴とする、請求項６から１１のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルに記載した特徴に基づく光変調方法に関する。さらに本発明は、この方法を実施するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の変調および回路のために様々な技術が開発されており、これらはそれぞれ別の物理的作用を利用する。最も良く知られかつ重要な方法は、「液晶ディスプレイ」（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ（ＬＣＤ））または「強誘電性液晶ディスプレイ」（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ（ＦＬＣＤ））などの液晶、マイクロミラー（単体およびマトリックス）、電子光学式および音響光学式変調器（ケルセルおよびポッケルセル、ＡＯＭ）、ならびに電気泳動ディスプレイである。電気泳動ディスプレイでは、懸濁液中に帯電粒子がある。すなわち前記帯電粒子は、電気的に絶縁された液体中で泳動する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、光変調を簡単な方法で、かつ構造上低費用で実施できるための方法および装置を提案する課題に基づいている。この方法は、高速および／または確実に再現可能の光変調を可能にし、問題なく様々な使用条件および応用に適合可能とすべきである。前記方法は、この装置を利用して低費用および少構成品で実現可能とすべきである。さらに前記装置は少ない構造体積を有し、ならびに既存のシステムへの簡単な統合および適合を可能にすべきである。さらにこの方法もしくは装置によって、光変調のスイッチング速度が改善されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題の解決方法は、請求項１の特徴部による方法と、さらに請求項６の特徴部による装置とに関して達成される。
【０００５】
提案された方法および提案された装置により、任意の光源および波長の光は、特にコヒーレント平行レーザー光も、変調すなわちその強度を変化させることができる。そのために光は、本明細書に記載され、かつ以下「変調セル」とも呼ぶ器具または装置に結合される。この結合は、それぞれの光源および適用に応じて様々な光学系を必要としうる。本方法に基づいて帯電粒子が、ガスにまたは真空中で移動し、いわゆる「粒子を含むガス（ｇｒａｎｕｌａｒｅｓ  Ｇａｓ）」を生成する。このような本質的に均質な粉末粒子（霧）からなる雲である粒子を含むガスは、たとえば粉末の振動により、または粉末にガスを吹き入れることにより、様々な方法で生成させることができる。本発明による粒子を含むガスは、電気的な帯電粉末粒子に作用する外部静電力によって生成される。外部に対して有利に密閉された電極を含むセルの内部で、制御された粒子を含むガスによって光強度が変調される。セルから出る光は、それぞれの応用に応じて光学系により形成される。特にコヒーレント平行レーザー光の光変調は、本発明により制御された粒子を含むガスを用いて行われる。
【０００６】
変調セルの正確な構造に応じて、個々の光束、光束の一部、または複数の光束も並列に変調することができる。この場合、変調セル内への入射光が光束と呼ばれ、これはレーザー光も、任意の他の光源のコリメート光および／または合焦光とすることもできる。この光の変調によって、器具が、たとえば全光束またはその一部を減衰する、可変式の高速切換式グレーフィルタとして使用することができる。特に拡張した光束をピクセルに分割し、このピクセルを個別に変調（図４も参照）することも可能であり、それによっていわゆる「空間光変調器」（「Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」（ＳＬＭ））が実現される。
【０００７】
本発明は、以下、図面に表した特定の実施形態を利用してより詳しく説明するが、その限りにおいて限定は生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１から明らかなように、基礎となる変調セルにおいて、相互に間隔ｚで２つの電極１、２がある。この両電極１、２の中間空間に、電気的に帯電した粉末５と任意の密度のガスもしくは真空がある。粉末５の種類に応じて、電極１、２が、厚さｄ１もしくはｄ２の任意の電気絶縁層３、４によって覆われており、これを以下さらに詳しく説明する。電極１、２の間に印加した電圧および／または本質的に一定の電圧Ｕ０で、粉末粒子が絶縁層３、４に付着する。強度Ｉ０の被変調光は、側方からセルの中に入射し、前記セルを妨げられずに横断する。
【０００９】
ここで図２により、好適な時間的に可変な電圧Ｕ１が、両電極間に印加されるとき、電場（Ｅ＝Ｕ１／ｚ）が生成され、この電場は、充分な電界強度で帯電粉末粒子を運動させ、この粉末粒子が他の電極の方向へ移動する。このとき粒子は、異なる力で電極に付着するので対称に移動しない。すなわちこの粉末粒子は、異なる時点で運動を開始する。電圧Ｕ１の適切な周波数で、粒子は電極間で往復して移動し、相互に作用し、このように粒子を含むガス６を生成する。このとき電場によって粒子に力Ｆ＝（Ｕ１×Ｑ）／ｚが作用し、粒子は、この力によって加速度ａ＝Ｆ／ｍを生じる（式中、Ｑは電荷であり、ｍは粉末粒子の質量である）。電圧Ｕ１の周波数に対して上限があり、この上限以上では、粉末粒子が遅くなり、速く変化する電場の中でまだ区間ｚの部分のみを経過するので、電極の間でもはや均質な粒子を含むガスを生成できなくなる。この限界周波数は、電極ｚの間隔ならびに粉末粒子の質量および電荷に応じる。本発明により、電圧Ｕ１は限界周波数よりも小さい周波数で与えられる。また、その周波数以上から粉末粒子が、特に他の電極に対する一つの電極へ前記パラメータに応じて、往復して移動可能である周波数を、周波数の下限とみなす。
【００１０】
粒子を含むガスが生成されるとき、入射光が粉末粒子によって吸収／散乱され、入射強度Ｉ０の一部分Ｉ１＜Ｉ０のみが、セルもしくは装置を横断できる。Ｉ１対Ｉ０の比は、この場合、光が粒子を含むガスを通って経過する区間の長さ、ならびに粒子を含むガスの密度および散乱もしくは吸収能力に応じる。粒子を含むガスの吸光係数、および静止粉末粒子から生成できる速度（スイッチング速度）は、特に他の印加した電圧の強さおよび時間勾配、ならびに個々の粉末粒子の材料、帯電量、および量に応じる。スイッチング速度は、この場合、個々の粒子の質量が減少すると上昇し、および帯電量が増加すると上昇する。すなわち電荷と質量の商Ｑ／ｍの増加とともに上昇する。同様にスイッチング速度は、電極間の電界強度とともに増加する。つまり電圧Ｕ１が増加するか、または間隔ｚが減少すると増加する。
【００１１】
帯電粉末は、電気的反力に基づき、個々の粉末粒子の間で可能な限り大きい間隔をとり、このセルの範囲外へ広がる。しかしながら電極の間に存在しない粒子は、それ以上移動できないので、この広がりは阻止しなければならない。これは、前記広がりが、阻止されるように形成される電場の選択によって行われる。
【００１２】
粉末を電極間の空間に制限する電場は、図２に記載の電極１、２の分割によって複数の個別電極で実現することができ、これらは互いに無関係に電圧を印加することができ、以下、制御電極および制限電極と呼ぶことにする。この制御電極は、粒子を含むガスの生成（スイッチオンおよびオフ）に利用され、制限電極は、電位バリアを発生し、粉末粒子が変調セルを離れることを阻止する。この場合、制御電極および制限電極の形状、数、および位置を変化させる無数の可能性がある。正確な幾何学的配置は、適用と必要な光変調に応じる。特に上部電極１の幾何学形状は、下部電極２の幾何学形状と同じである必要はない。
【００１３】
図３は、例として、上部および下部電極が、それぞれ制御電極および制限電極からなる前記形態の最も簡単なセルを示しており、この場合、前記電極は四角形であるが、上述のように、それぞれの応用に応じて各々任意の形状をとることができる（多角形、楕円形）。電極７および８、もしくは９および１０は、間隔ｄで分離されており、この場合は全て電気絶縁層１１で覆われる。制御電極７、９は、粒子を含むガスの生成に利用され、外側の制限電極８、１０は、粉末粒子１２が変調セルを出ることができないようにする。たとえば粉末が正に帯電するとき、これは制限電極８、１０が、制御電極７、９に対して正に切り換えられる、すなわちＵ４＞Ｕ３およびＵ６＞Ｕ５になることによって達成される。従って時間的かつ相互に変化される電圧Ｕ３−６を適切に選択することによって、粒子を含むガス１２が生成され、これは本質的に制御電極７、９の間の空間に制限されている。
【００１４】
別の例として、ＳＬＭすなわち個々のピクセルの列から構成される変調セルの最も簡単な形態を与える。これは、互いに無関係に光束の部分を変調することができる。本発明の枠内で任意の数または一定の数のセルが、図３のように配置および／または設定される。さらにＳＬＭは、図４のように本発明により実現される。セルは、この場合８つのピクセル（しかし理論的には任意の数）から構成され、これらのピクセルは、第１制御電極１３を介して個別にオンおよびオフにすることができる。図４に基づく第２の下部制御電極１４は、この場合連続面であるが、それぞれの応用に応じて複数の制御電極に分けることもでき、または幾何学的に上部制御電極と同一に形成することができる。制限電極１５、１６は、さらにセルへの粒子を含むガス１７の制限に利用される。前記電極の各々は、互いに無関係に電圧を印加することができ、それによって粒子を含むガス１７を各ピクセルで切り換えることができる。それによってセルをｙ方向に横断する光は、各個別ピクセルで独立して変調することができる。それぞれの応用および所望の光変調に応じて、このようなＳＬＭにおいて幾つかまたは全ての電極も、ｙ方向に分割することができる。同様に相互の電極の間隔およびその幾何学形状は、所望の光変調に応じる。従っていずれの中に選択する粒子を含むガスが存在しまたは存在しないかは、互いに無関係に設定される部分領域のｘ方向もしくは光透過によって、粒子を含むガス部分領域を透過する光の経路区間を、設定可能および／または変化可能である。従って本発明により変調率を指定して設定される。
【００１５】
上記例において電極は、２つの平面で垂直方向に制限されているが、これは必ずしもそのようにする必要がない。たとえば、完全にカプセル化した変調セルを構成し、その中で制限電極を水平ではなく、垂直に向けることもできる。図５にこのようなセルの断面を示している。制御電極１８、１９は、粉末２０からなる粒子を含むガスを生成し、制限電極２１、２２は、この場合セルの壁への粉末粒子の付着滞留を阻止し、粉末を制御電極の間に保持する。全電極は、電気絶縁層２３によって覆われる。被変調光は、カプセル化したセルでも制限電極の中間空間に導入されるので、制御電極は、透明２１、たとえばインジウム亜鉛酸化物（ＩＴＯ）または光が前記電極によって阻止されないような構造２２のいずれかにしなければならない。同様にこの場合に、制限電極がその上にある絶縁層２３および基板２４は、透明の材料から構成しなければならない。カプセル化するセルの場合も、電極の本数および幾何学形状および配置は、それぞれの応用に応じ、それによってＳＬＭ群も実現される。
【００１６】
もちろん、異なるまたは同一の変調セルは、特定の変調結果を得るために直列または並列に接続することもでき、特に並列接続によって二次元ＳＬＭを実現することができる。
【００１７】
変調セルおよび粉末粒子の寸法は、それぞれの応用に、特に達成したいスイッチング速度に応じる。寸法が小さくなるほど、粒子を含むガスをより速く切り換えることができ、それによって光を変調し、粒子を含むガスを生成するために必要な電圧がさらに小さくなる。図１の電極の典型的な間隔ｚは、１ｍｍから０．１ｍｍの範囲にあり、粒子を含むガスの生成のための典型的な電圧は、１０００Ｖおよび５０Ｖの間にある。制御電極および制限電極の幾何学的寸法は、マイクロメートルの範囲にあるがセンチメートルの範囲においてもよく、所望の光変調に応じる。
【００１８】
変調セルは、たとえば小型構造も書き込む、特に好適であるフォトリソグラフィー工程によって簡単に製造することができる。この場合図６により、電極の構造は、特に金属被覆ガラス板２５の基板上に製造される。図６は、図３に記載の変調セルの実現の有利な可能性を示す。制御電極２６（図３の７、９）および制限電極２７（図３の８、１０）は、別々に電圧を供給することができる。任意の薄い絶縁層２８（図３の１１）は、スパッタリング、蒸着、またはスピンコーティングによる溶融ポリマーの形態で塗布されることができる。このような２つのガラス板５は、そこでスペーサで仕切られ、帯電粉末の取込み後に変調セルとして利用することができる。
【００１９】
制御電極の間にある粉末材料は、基本的に任意であり、この場合は、導電性、半導体、または非導電性の材料とすることができる。個々の条件は、個々の粒子が、粒子を含むガスの生成のために、そうでないと移動できなくなるので、電気的に過剰の電荷を担持しなければならない。しかしながら、粉末材料および粒子の大きさの選択は、本質的に変調セルの特性のために、特に吸光係数に関して粒子を含むガスをオンもしくはオフにすることができる一定の波長および速度による。
【００２０】
粉末の帯電は、変調セル内への粉末の取込み前に、特定の条件下ではセルの中でも直接行うことができる。電極の一方が非絶縁性にできず（ｄ１またはｄ２が図１でゼロに等しい）、粉末が不十分なまたは非導電性の材料からなるとき、粉末の帯電は、直接制御電極の一つを介して行うことができる。不十分な導電性粉末の帯電は、長時間（数分ないし数時間）かかるが、粉末粒子はその電荷を長く保持し、この電荷を再び放出する。
【００２１】
図７に、この帯電を模式的に示した。粉末粒子２９は、非絶縁性制御電極３０の電圧Ｕで、この例では正に帯電され、この粉末粒子が充分に電荷を受け取ると直ちに、この電荷が電場３１の中に絶縁された電極３２に向かって移動し、電極３２にとどまり３３付着する。粉末の帯電後、可変電圧を印加することができ、粒子を含むガスを生成させることができる。この粉末は、不十分な導電性であるため、非絶縁性電極との接触時に電荷を移さず、正の電荷を保持する。
【００２２】
導電性の粉末材料でこの方法は機能しない。急速に帯電しうるが、粒子を含むガスは、粉末が非絶縁性電極との接触する瞬間に、電極を占有する極性を取るので、正と負に帯電した粒子の混合物からなりうる。しかしながら両極性を有する粒子を含むガスは、もはや問題なく制御することができない。さらに導電性の粉末と非絶縁性電極の場合、変調セルを破壊しうる電気的絶縁破壊の危険性がある。
【００２３】
しかしながら変調セルの中の付加的な充電電極によって、導電性および非導電性の粉末でも、帯電をより遅くすることも可能である。図８は、両制御電極３４、３５、絶縁層３６、粉末３７、および付加的な充電電極３８を備える変調セルの断面図である。充電電極への電圧ＵＬと、それに調整した電極への電圧Ｕ７およびＵ８の印加によって、電荷が充電電極および粉末へ伝達される。帯電後、充電電極は電源から絶縁され、これはたとえばリレー３９によって行うことができ、それによって粉末を再び放電することができる。その後セルは光変調に利用することができる。充電電極３８によって、粉末粒子の荷電を変化または再生させることができる。
【００２４】
点線を用いて、模式的に装置のハウジング４０を示した。この種のハウジングは、本発明による他の実施形態でも設けている。ハウジングは、上記構成部品を取り囲み、その場合このハウジングは、詳しく図示しない電極の電気接続線用の導通体を有する。ハウジング４０は、周囲との不利な相互作用を排除するために、たとえばガスや粒子を含むガスの流出を回避するために、または粒子を含むガスの生成のために長時間にわたり安定性を維持するために、気密に、好ましくは真空密に形成されている。さらにハウジング４０は、粒子を含むガスの生成のガスの供給または再生のために、もしくは前記真空の生成または維持のために接続部４１を有することができる。少なくとも光透過のために設けた領域で、ハウジング４０は光透過性である。
【００２５】
本発明は、制御された粒子を含むガスによる光の変調方法および装置に関する。この粒子を含むガスは、帯電粉末粒子から生成され、変調セルの内部で静電力によって生成され、かつ制御される。この静電力は、ここで多数の電極によって実施され、この電極に、それぞれ別々に時間的に可変な電圧が印加される。いわゆる制御電極は、粒子を含むガスの生成に利用され、制限電極は、変調セルからの粉末の飛散を阻止する。電極の幾何学的配置によって、互いに無関係に接続することができるセルを、個々のピクセルに分割することが可能である。電極の空間的寸法、ならびにその数および幾何学的配置は、それぞれの応用および所望の光変調に応じる。粉末粒子の帯電は、変調セル内への粉末の取込み前に行われ、またはそれぞれの粉末材料に応じて、非絶縁性制御電極または付加的な非絶縁電極によって行われる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】基礎となる変調セルを示す図である。
【図２】電極の分割を示す図である。
【図３】上部および下部電極が、それぞれ制御電極および制限電極からなる形態の最も簡単なセルを示す図である。
【図４】特に拡張した光束をピクセルに分割し、このピクセルを個別に変調した場合を示す図である。
【図５】完全にカプセル化した変調セルを構成し、その中で制限電極が垂直に向けられた場合のセルの断面を示す図である。
【図６】図３に記載の変調セルの実現の有利な可能性を示す図である。
【図７】電荷が長く保持し、電荷を徐々に再び放出する場合の帯電を示す図である。
【図８】両制御電極、絶縁層、粉末、および付加的な充電電極を備える変調セルの断面図を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、２  電極
３、４  電気絶縁層
５、２０  電気的に帯電した粉末
６、１７  粒子を含むガス
７、９、１８、１９、２６、３４、３５  制御電極
８、１０、１５、１６、２１、２２、２７  制限電極
１２、２９  粉末粒子
１３  上部もしくは第１制御電極
１４  下部もしくは第２制御電極
２３、２８、３６  絶縁層
２４  基板
２５  ガラス板
３０  非絶縁性制御電極
３１  電場
３２  絶縁電極
３３  帯電粒子
３７  粉末
３８  付加的充電電極
３９  リレー
４０  ハウジング
４１  接続部
【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】
2005520208.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2005520208.tif 000011
2005520208.tif 000012
2005520208.tif 000013
2005520208.tif 000014
2005520208.tif 000015
2005520208.tif 000016