(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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る光路切替素子において、前記光入射部と反射部との間の光路中に、情報に応じて信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質を有するとともに、前記光出射部の外側にあって、別の信号の印加によって前記出射光の光路を平行移動させることができる光路シフト手段を具備することを特徴とする光路切替素子。
【請求項２】
前記信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質が、液晶材料からなることを特徴とする請求項１記載の光路切替素子。
【請求項３】
前記信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質が、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又は２記載の光路切替素子。
【請求項４】
前記物質の液晶材料が、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３記載の光路切替素子。
【請求項５】
電圧無印加時に前記液晶材料全ての液晶分子が概略一方向に配列することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項６】
前記信号による入射光の進行方向の変化を、前記反射部で反射した光が前記導光部材と該導光部材に接触する前記光路シフト手段側の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とることができる範囲で行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項７】
前記導光部材と前記光路シフト手段との間に、前記出射光を外部へ出すことができる第二の導光部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項８】
前記光入射部に光学的接合し、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７のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項９】
前記反射部が、前記物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項１０】
前記光路シフト手段は、前記別の信号の印加によって屈折率が変化する屈折率変化層を有し、該屈折率変化層は概略厚さが一定であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項１１】
前記屈折率変化層を前記出射光の光路の垂直方向に対して傾斜させて設け、前記光路シフト手段は、前記屈折率変化層を挟み、前記別の信号を該屈折率変化層に印加するための２つの透明基板を有し、該２つの透明基板の屈折率を概略等しくすることにより、前記出射光を平行移動させることを特徴とする請求項１０記載の光路切替素子。
【請求項１２】
前記光路シフト手段が、前記別の信号の印加によって屈折率が変化する屈折率変化層を２層有し、該屈折率変化層は、厚さが連続的に変わっている部分を持つことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項１３】
前記光路シフト手段は、各屈折率変化層の間に、所望する平行移動量に応じた厚みをもつ中間基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載の光路切替素子。
【請求項１４】
前記屈折率変化層が電気光学材料よりなることを特徴とする請求項１０又は１１記載の光路切替素子。
【請求項１５】
前記屈折率変化層が液晶よりなることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１記載の光路切替素子。
【請求項１６】
前記液晶は強誘電性液晶であることを特徴とする請求項１５記載の光路切替素子。
【請求項１７】
前記屈折率変化層は強誘電性液晶からなり、前記出射光の光路の垂直方向に対して平行に設け、前記光路シフト手段は、前記屈折率変化層を挟む２つの透明基板を有し、該２つの透明基板の屈折率を概略等しくすることにより、前記出射光を平行移動させることを特徴とする請求項１０記載の光路切替素子。
【請求項１８】
前記光路シフト手段は、前記強誘電性液晶の配向角を温度により制御することにより、光路の平行移動量を制御することを特徴とする請求項１６又は１７記載の光路切替素子。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれか１記載の光路切替素子が二次元アレイ状に配列されていることを特徴とする空間光変調器。
【請求項２０】
請求項１９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て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。
【発明の詳細な説明】
【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、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及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。
【０００３】
図１４は、従来（特開平５−１９６８８０号公報に記載）の空間光変調器の平面図であり、平面上では、図１４に示すように、方形トーションビーム反射表面１１とビーム支持ポスト１２のみが観察される。図１５は、図１４に示した空間光変調器のひとつの回転鏡の断面図で、図１５（Ａ）はヒンジに沿っての断面図、図１５（Ｂ）はそれと直角方向の断面図である。ビーム支持ポスト１２は、ポスト１５に連結されたヒンジ１３の捻れによって、ビーム１１を接地電極１４に向けて回転可能にする。その駆動力はポスト１６によって支持されたアドレス電極１７に印加される電圧で与えられる。アドレス電極１７への電圧印加は、基板層１９に設けられたＣＭＯＳ回路（図示せず）の信号を金属層１８を介して伝達することにより行われる。ビーム１１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。
【０００４】
上記方式においては、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。
【０００５】
その他の光スイッチング素子（光路切替素子）として、例えば特開平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１６は、前記特開平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。この光スイッチング素子は、光を全反射して伝達可能な全反射面２２を備えた導光部材２１と、全反射面２２に対し抽出面３２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３１と、プリズム３１を導光部材２１に接近させ又は離すように駆動する駆動部４０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１６の右側のセルは、駆動部４０を動作させることによってプリズム３１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、導光部材２１中を伝搬してきた光線１は図１６に示されるように全反射面２２で全反射され図の右方向へと出射（図１６の光線２）していく。駆動部４０を動作させない時には図１６左側のセルのようにプリズム３１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、導光部材２１中を伝搬してきた光線１は図１６左側セルに示されたように全反射面２２で反射することなくプリズム３１に進入する。プリズム３１に進入した光線はプリズムの反射面３１ａで反射して図１６に示した光線３のように導光部材２１を透過して出射される。
【０００６】
上記の方式において、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１６に示したようなプリズム３１は、その構造が複雑であるため、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３１を導光部材２１，全反射面２２に近接させるとファンデルワールス力、或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。
【０００７】
さらに、別の光スイッチング素子として、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１７は、前記特開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５０に接触させた液晶６０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）１が全反射光２として出射される状態と、透過光となったのち反射膜６１によって向きを変えられて反射光３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。なお、図１７において、５１は透明電極、７０は液晶駆動用ＩＣ基板、７１は電極端子である。
【０００８】
この方式においては、機械的な駆動部を持たないためにさらに構造を簡単にすることができるが、特開平１１−２０２２２２号公報や特開２０００−１７１８１３号公報に開示されている光スイッチング素子においては、図１６及び図１７からわかるように１つの入射光束に対して、右側傾斜面からの反射光のみが出射するため、出射光の断面積が縮小化し空間利用効率が低くなるという問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実状に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、空間利用効率が高く、伝達する情報量を増加することが可能な光路切替素子を提供することをその目的とする。また、本発明は、この光路切替素子を用いた空間光変調器、及びその空間光変調器を用いた高解像度画像表示装置を提供することを他の目的とする。より具体的には、
（１）構造が簡単で、空間利用効率が高く、伝達する情報量を増加できる光路切替素子を提供すること（請求項１）、
（２）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２）、
（３）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３）、
（４）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４）、
（５）上記に加え、設計自由度が高く、光利用効率の高い光路切替素子を提供すること（請求項５）、をその目的とする。
【００１０】
（６）上記に加え、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６）、
（７）上記に加え、光学的な設計や光路調整が容易な光路切替素子を提供すること（請求項７）をその目的とする。
（８）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８）、
（９）上記に加え、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供すること（請求項９）、をその目的とする。
【００１１】
（１０）上記に加え、さらに構造が簡単な光路切替素子を提供すること（請求項１０，１１）、
（１１）上記に加え、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供すること（請求項１２）、
（１２）上記に加え、より駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供すること（請求項１３）、
（１３）上記に加え、光路を平行移動する制御が行い易い光路切替素子を提供すること（請求項１４）、
（１４）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１５）、をその目的とする。
【００１２】
（１５）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１６）、
（１６）上記に加え、構造が簡単な光路切替素子を提供すること（請求項１７）、
（１７）上記に加え、温度により光路の平行移動量を制御できる光路切替素子を提供すること（請求項１８）、をその目的とする。
【００１３】
（１８）低コストで解像度の高い空間光変調器を提供すること（請求項１９）、
（１９）低コストで解像度の高い画像表示装置を提供すること（請求項２０）、をその目的とする。
【００１４】
【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る光路切替素子において、前記光入射部と反射部との間の光路中に、情報に応じて信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質を有するとともに、前記光出射部の外側にあって、別の信号の印加によって前記出射光の光路を平行移動させることができる光路シフト手段を具備することを特徴としたものである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質が、液晶材料からなることを特徴としたものである。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質が、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。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記物質の液晶材料が、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。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項２乃至４のいずれか１の発明において、電圧無印加時に前記液晶材料全ての液晶分子が概略一方向に配列することを特徴としたものである。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記信号による入射光の進行方向の変化を、前記反射部で反射した光が前記導光部材と該導光部材に接触する前記光路シフト手段側の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と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。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１の発明において、前記導光部材と前記光路シフト手段との間に、前記出射光を外部へ出すことができる第二の導光部材を設けたことを特徴としたものである。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか１の発明において、前記光入射部に光学的接合し、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。
【００２２】
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれか１の発明において、前記反射部が、前記物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有していることを特徴としたものである。
【００２３】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９のいずれか１の発明において、前記光路シフト手段は、前記別の信号の印加によって屈折率が変化する屈折率変化層を有し、該屈折率変化層は概略厚さが一定であることを特徴としたものである。
【００２４】
請求項１１の発明は、前記屈折率変化層を前記出射光の光路の垂直方向に対して傾斜させて設け、前記光路シフト手段は、前記屈折率変化層を挟み、前記別の信号を該屈折率変化層に印加するための２つの透明基板を有し、該２つの透明基板の屈折率を概略等しくすることにより、前記出射光を平行移動させることを特徴としたものである。
【００２５】
請求項１２の発明は、請求項１乃至９のいずれか１の発明において、前記光路シフト手段が、前記別の信号の印加によって屈折率が変化する屈折率変化層を２層有し、該屈折率変化層は、厚さが連続的に変わっている部分を持つことを特徴としたものである。
【００２６】
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、前記光路シフト手段は、各屈折率変化層の間に、所望する平行移動量に応じた厚みをもつ中間基板をさらに備えたことを特徴としたものである。
【００２７】
請求項１４の発明は、請求項１０又は１１の発明において、前記屈折率変化層が電気光学材料よりなることを特徴としたものである。
【００２８】
請求項１５の発明は、請求項１０乃至１４のいずれか１の発明において、前記屈折率変化層が液晶よりなることを特徴としたものである。
【００２９】
請求項１６の発明は、請求項１５の発明において、前記液晶は強誘電性液晶であることを特徴としたものである。
【００３０】
請求項１７の発明は、請求項１０の発明において、前記屈折率変化層は強誘電性液晶からなり、前記出射光の光路の垂直方向に対して平行に設け、前記光路シフト手段は、前記屈折率変化層を挟む２つの透明基板を有し、該２つの透明基板の屈折率を概略等しくすることにより、前記出射光を平行移動させることを特徴としたものである。
【００３１】
請求項１８の発明は、請求項１６又は１７の発明において、前記光路シフト手段は、前記強誘電性液晶の配向角を温度により制御することにより、光路の平行移動量を制御することを特徴としたものである。
【００３２】
請求項１９の発明は、請求項１乃至１８のいずれか１記載の光路切替素子が二次元アレイ状に配列されていることを特徴としたものである。
【００３３】
請求項２０の発明は、請求項１９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て表示する手段とを有することを特徴としたものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（本発明の構成・動作）
本発明においては、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る光路切替素子において、前記反射部を含む光路中（光入射部と反射部との間の光路中）に、情報に応じて信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質を有するとともに、前記光出射部の外側にあって、別の信号の印加によって出射光の光路を平行移動させることができる手段（光路シフト手段）を具備することを特徴としたものである。
【００３５】
上記の光路切替素子において、光入射部から垂直以外の角度で入った入射光は信号の印加によって進行方向が変わり、反射部で反射した光が光出射部へ入射する時の角度が変化する。その結果、出射光の光路（出射角）が変わるので、所定の位置で光出力を検出すれば、印加する信号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。この時、出射光の断面積は光入射部における入射光の照射エリアよりも小さくなるが、別の信号の印加によって出射光の光路を平行移動させることによって、その移動時間が１つの情報を扱うフィールド時間に比べて相当に短ければ、時分割で空間を補間するとともに、補間された空間に別の情報を出力することができるので、情報量を増加することができる。すなわち、構造が簡単で、空間利用効率が高く、伝達する情報量を増加できる光路切替素子を提供することができる（請求項１）。
【００３６】
また、信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質としては、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（以後、屈折率可変物質と呼ぶ）が好適である。
【００３７】
導光部材の屈折率をｎ1、屈折率可変物質の屈折率をｎ2とし、導光部材中を透過する入射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θ1、入射光が屈折率可変物質中を進行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θ2とすると、スネルの法則により以下の式が成り立つ。
ｓｉｎθ2／ｓｉｎθ1＝ｎ1／ｎ2…（１）
【００３８】
信号印加によってｎ2が変化すると式（１）に従ってθ2が変化し、その結果反射部での反射角が変わり、出射光の光路（出射角）が変化する。反射部での反射角の変化量は概略θ2の変化量程度であるが、導光部材の屈折率ｎ1が導光部材に接触している外部物質の屈折率ｎa（通常外部物質は空気であり、ｎa＝１）より大きい場合には光出射部から出射する際に屈折が生じ、出射光と光出射部を構成する面の法線とのなす角度（出射角）の変化量はθ2の変化量よりも大きくなる。これにより所定の位置で光出力を検出すれば、ｎ2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。特に、請求項６の発明に関し、光出射部において導光部材と外部物質との界面で全反射する条件としない条件とでスイッチングする設定にした場合には、非常に大きな角度変化を得ることができ、Ｓ／Ｎ比の高い良好な光スイッチングが可能となる。なお、式（１）においてθ2が９０°以上になると、入射光は光入射部と屈折率可変物質との界面で全反射し、反射部に到達しないが、上述するところの入射光の進行方向が極端に変化した場合として、本発明に含まれるものとする。
【００３９】
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及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、入射光学系や部材の設計自由度が増すとともに光利用効率が向上する。また、流動性があることにより導光部材及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。すなわち、信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質が液晶からなるので、製造が容易な光路切替素子を提供することができる（請求項２）。
【００４０】
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。すなわち、信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる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）からなるので、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（請求項３）。
【００４１】
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。
すなわち、信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる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したので、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（請求項４）。
【００４２】
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、入射光学系や部材の設計自由度が増すとともに光利用効率が向上する。すなわち、信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質中の全ての液晶分子が電圧無印加時に概略一方向に配列しているようにしたので、設計自由度が高く、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（請求項５）。
【００４３】
また、上述したように、信号による入射光の進行方向の変化を、反射部で反射した光が導光部材とその導光部材に接触する光路シフト手段側の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とることができる範囲で行うようにすることにより、Ｓ／Ｎ比が高い光路切替素子を提供することができる（請求項６）。また、導光部材と光路シフト手段との間に、出射光を外部へ出すことができる第二の導光部材を設けることにより、第二の導光部材の形状による出射方向の制御が可能となるため、光路シフト手段以降の光学的な設計や光路調整が容易な光路切替素子を提供することができる（請求項７）。
【００４４】
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により、製造が容易な光路切替素子を提供することができる（請求項８）。また、反射部が、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有するようにすることにより、屈折率可変物質を封入した部分を薄く構成できるので、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供することができる（請求項９）。
【００４５】
また、光路シフト手段としては、信号の印加によって屈折率が変化する屈折率変化層を有するものであることが好ましい。この屈折率変化層は、その厚さを概略一定とし、光出射部の外側に配設されているものとする。このような層に対して垂直以外の角度で光が入射した場合、屈折率が変化すると出射光は方向（出射角）を保ったまま入射角と層の厚さ及び屈折率変化で決まる量だけ平行に光路がずれる。これによって、空間の補間と情報の増大化を、比較的簡単な構造で実現できる。すなわち、光路シフト手段が上記屈折率変化層を有しているので、さらに構造が簡単な光路切替素子を提供することができる（請求項１０）。ここで、屈折率変化層を出射光の光路の垂直方向に対して傾斜させて設けてもよい。この場合、光路シフト手段としては、屈折率変化層を挟み、上記別の信号を屈折率変化層に印加するための２つの透明基板を有し、それら透明基板の屈折率を概略等しくすることにより、出射光を平行移動させるとよい（請求項１１）。
【００４６】
別の光路シフト手段として、厚さが連続的に変わっている部分を持つ屈折率変化層を２層有するものが好適に使用できる。なお、この屈折率変化層も光出射部の外側に配設され、信号の印加によって屈折率が変化するものとする。このような層に対して光が入射した場合、屈折率が変化すると出射光は方向（出射角）が変わるが、これと同じ層を厚さの変化する方向が逆になるように対峙させて、先の出射光を入射させると、ここから出る出射光は最初の層への入射光に対して、方向（出射角）を保ったまま平行に光路がずれる。この場合には屈折率変化層の厚さが薄くてもよいので、屈折率を変化させるためのエネルギーを小さくできる。すなわち、光路シフト手段が、光出射部の外側に配設され、信号の印加によって屈折率が変化し、厚さが連続的に変わっている部分を持つ屈折率変化層を２層有しているので、駆動エネルギーを小さくできる光路切替素子を提供することができる（請求項１２）。また、光路シフト手段としては、各屈折率変化層の間に、所望する平行移動量に応じた厚みをもつ中間基板をさらに備えることにより、より駆動エネルギーを小さくすることができる（請求項１３）。
【００４７】
上述した各光路シフト手段において、屈折率変化層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（物質が入れ替わるものを含む）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。すなわち、電気光学材料を用いることにより、光路を平行移動する制御が行い易い光路切替素子を提供することができる（請求項１４）。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から液晶が好ましい。屈折率変化量が大きいことにより、平行移動量（光路シフト量）を大きくすることができる、或いは層の厚さを薄くできる。また、流動性があることによりこの層を担持する部材への光学的接触を容易に実現することができる。すなわち、屈折率変化層が液晶からなるので、上記に加え、さらに製造が容易な光路切替素子を提供することができる（請求項１５）。
【００４８】
また、液晶がキラルスメクティックＣ相で代表される強誘電性液晶であることが望ましい。スメクティック液晶は液晶分子の長軸方向が層状に配列してなる液晶である。キラルスメクティックＣ相は外部電界が働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転している。またキラルスメクティックＣ相は不斉炭素を分子構造に有しており、これによって自発分極している。この自発分極と外部電界により定まる方向に液晶分子が速やかに再配列するため、高速な応答が可能である。なお、キラルスメクティックＣ相強誘電性液晶の層法線方向を屈折率変化層に垂直にしたホメオトロピック配向を用い、層に平行な外部電界を印加することにより液晶分子は同一方向に傾斜して配列するため、屈折率変化層に垂直に入射した光（直線偏光）であっても光路をシフトさせることができる。すなわち、屈折率変化層がキラルスメクティックＣ相強誘電性液晶からなるので、上記に加え、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（請求項１６）。
【００４９】
また、屈折率変化層として強誘電性液晶を用いることで、出射光の光路の垂直方向に対して平行に設けても光路を平行移動させることが可能となる。その際、光路シフト手段は、屈折率変化層を挟む２つの透明基板を有し、それら透明基板の屈折率を概略等しくすることにより、出射光を平行移動させることができる（請求項１７）。
【００５０】
また、強誘電性液晶の配向角は温度により制御することが可能であり、光路シフト手段としても、温度により光路の平行移動量を制御することができる（請求項１８）。
【００５１】
上述した本発明に係る光路切替素子を二次元に配列することにより空間光変調器を構成することができる。この空間光変調器（二次元光路切替素子）においては、入射光の進行方向を変化させることができる物質への信号の印加を二次元配列された複数の部位で個別に行うことによって二次元の明暗像を形成することができる（請求項１９）。
【００５２】
また、上記の空間光変調器と、空間光変調器に光線を入射させる光線入射手段及び空間光変調器により形成した画像（明暗像）をスクリーンに投影し表示する手段を設けることにより、低コストで解像度の高い画像表示装置を構成することができる（請求項２０）。
【００５３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態を説明するための図で、図中、１０１はガラス，プラスチック等からなる光学的に透明な導光部材である。本実施形態に係る光路切替素子は、導光部材１０１を介して光源からの光線（入射光１）を屈折率可変物質１０５に入射させる光入射部１０３、光入射部１０３から屈折率可変物質に入射した光を反射する反射部１１５、反射部で反射した光線を導光部材１０１の外部へと出射させる光出射部１０４を有している。
【００５４】
反射部１１５を含む反射部材１０６は、Ｓｉ，ガラス等からなる基板１０９上にガラス、プラスチック又は酸化シリコン、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１０８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１０７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１０７は電極としても作用する。基板１０９には金属膜１０７に情報に応じた信号電圧を印加するための駆動素子等を形成するのが望ましい。なお、本発明の性質上、反射部１１５の傾斜面として、反射面を１面だけ設けた光路切替素子を配列してもよいが、実際には複数の反射面をもつことにより空間利用率向上のための光路のシフト量の制御が行い易くなる。屈折率可変物質を封入した部分を薄く構成して駆動エネルギーを小さくするために、さらに、屈折率可変物質に信号を印加する単位要素に対して、複数組の面を有するようにしてもよい。
【００５５】
反射部材１０６としては、絶縁体１０８が基板１０９を兼ねる構成や金属板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１０５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。
【００５６】
光入射部１０３には屈折率可変物質に電圧を印加するためのＩＴＯ等からなる透明電極１１０が設けられている。屈折率可変物質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（図示せず）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（もしくは反射部材）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（もしくは導光部材）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光スイッチング部が完成する。
【００５７】
光出射部１０４の外側には、空気層１１８を介して光路シフト手段１１１が配設される。光路シフト手段１１１は屈折率変化層１２８とそれを担持する透光性部材１４３からなる。透光性部材１４３の屈折率変化層１２８に接する面にはＩＴＯ等からなる透明電極１０２が形成されている。屈折率変化層１２８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。
【００５８】
図１（Ａ）は屈折率可変物質１０５の屈折率ｎ2が導光部材１０１の屈折率ｎ1より大きい場合を示し、この場合、屈折角θ2は式（１）に従って入射角θ1より小さくなる。ここでは反射部１１５で反射した光が光出射部１０４を構成する面の法線となす角度φ1が、導光部材１０１と空気層１１８との界面での全反射条件を満たすように、反射部を構成する面及び光出射部を構成する面の傾斜角を設定している。このようにすることにより反射部１１５で反射した光は空気層１１８中に出射することはなく、図に示すように導光部材１０１中を進行する（オフ状態）。
【００５９】
図１（Ｂ）はｎ2がｎ1と概略同程度の場合を示し、この場合、θ2はθ1にほぼ等しいため図１（Ａ）の時よりも反射部１１５での反射角が大きくなり、反射部１１５で反射した光が光出射部１０４を構成する面の法線となす角度φ1’はφ1よりも小さくなる。ここでφ1’が導光部材１０１と空気層１１８との界面での全反射条件を満たさない（ただし、φ1は全反射条件を満たす）ように、反射部１１５を構成する面及び光出射部１０４を構成する面の傾斜角を設定すれば、反射部１１５で反射した光は空気層１１８中に出射し、さらに光路シフト手段１１１を通過して、出射光１１として外部に出射する（オン状態）。図１（Ｂ）の例は光路シフト手段１１１を構成する屈折率変化層１２８とそれを担持する透光性部材１４３及び導光部材１０１の屈折率がほぼ等しい場合で、空気層１１８の厚さが薄くそこでの屈折による光路のシフトを無視すると、出射光１１は反射部１１５からほぼ直進する。図１（Ｂ）からわかるように出射光１１の断面積は光入射部における入射光１の照射エリアよりも小さく、かつ離散化している。
【００６０】
図１（Ｃ）は屈折率変化層１２８の屈折率が図１（Ｂ）の時よりも大きい場合を示し、その他の設定は図１（Ｂ）と同じである。この場合、屈折率変化層１２８に進入した光はここで屈折し、屈折率変化層１２８の厚さに応じた量だけシフトして外部に出射する。屈折率変化層１２８の屈折率及び厚さの調整によって、図１（Ｂ）における間隙の位置に出射光が来るようにすることが可能であり、図１の（Ｂ）の状態と（Ｃ）の状態を時間的に切り替えてそれぞれに異なる情報による信号を与えれば、光スイッチングを行う部位の数で決まる量よりも多く（この例では２倍）の情報を出力することができる。
【００６１】
本実施形態の具体的な例として、導光部材１０１をクラウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）で作製し、屈折率可変物質１０５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１１２を図１（Ａ）のように光入射部１０３に対して水平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１１０及び金属膜１０７の表面に形成するのが好ましい。
【００６２】
図１（Ａ）の状態でレーザ光（波長６３３ｎｍ）をＳ偏光（電場ベクトルが紙面に垂直な直線偏光）としてθ1＝６０°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ2≒ｎｅ＝１.７４６となるので、式（１）に従ってθ2＝４９°となる。反射部１１５を構成する面の水平からの傾斜角をα、光出射部１０４を構成する面の水平からの傾斜角をβとし、α＝３０°，β＝３５°に設定すると、反射光は光出射部１０４に対してφ1＝４７.６°で入射し、全反射する。
【００６３】
一方、透明電極１１０と金属膜１０７の間に電圧を印加すると図１（Ｂ）のように液晶分子が電界方向に配列し、同様の入射光に対して液晶の屈折率はｎ2≒ｎｏ＝１.５２２となるので、入射光及び反射光はほぼ直進し、光出射部１０４に対してφ1’＝３５°で入射する。ここで、光路シフト手段１１１を構成する屈折率変化層１２８としてネマティック液晶Ｅ７を用い、図示しない配向膜によって予め層方向に対して水平で紙面に垂直な方向に配向しておく。図１（Ｂ）の場合には、屈折率変化層１２８を担持する透光性部材１４３（ＢＫ７を使用）の表面に設けた透明電極１０２に電圧を印加し、液晶分子を層方向に対して垂直に配列させる。この時、液晶の屈折率はｎL≒ｎｏ＝１.５２２となり、出射光はほぼ直進する。図１（Ｃ）は透明電極１０２に電圧を印加しない場合で、この場合には液晶の屈折率はｎL≒ｎｅ＝１.７４６となるので、屈折率変化層１２８に対して屈折角φ2＝３０°となる。光路シフト量をΔｘとすると、屈折率変化層１２８の厚さｔに対してΔｘ＝ｔ×ｓｉｎ（φ1’−φ2）／ｃｏｓφ2≒０.１ｔとなる。すなわち、屈折率変化層１２８の厚さは光路シフト量の約１０倍あればよい。
【００６４】
上述の説明においては入射光１をＳ偏光としたが、Ｐ偏光（電場ベクトルが紙面に平行な直線偏光）であってもよく、その場合には電圧印加時と無印加時の光の振る舞いが逆になる。Ｐ偏光を用いると界面反射損失が減少するので、光利用効率の点ではより好ましい。
【００６５】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態を説明するための図である。本実施形態に係る光路切替素子は、その基本的な構成は第１の実施の形態と同様であるが、図２（Ａ）の時には入射光が導光部材１０１と屈折率可変物質１０５との界面で全反射し（オフ状態）、図２（Ｂ）の時には屈折率可変物質１０５中を透過し、反射部１１５で反射した後、光出射部１０４から出射し、さらに光路シフト手段１１１を通過して、出射光１１として外部に出射する（オン状態）ように構成部材及び駆動条件を設定している。図２（Ｂ）は光路シフト手段１１１を構成する屈折率変化層１２８とそれを担持する透光性部材１４３及び導光部材１０１の屈折率がほぼ等しい場合で、この場合、出射光１１は反射部１１５からほぼ直進する。図２（Ｂ）からわかるように出射光１１の断面積は光入射部１０３における入射光１の照射エリアよりも小さく、かつ離散化している。図２（Ｃ）は屈折率変化層１２８の屈折率が図２（Ｂ）の時よりも小さい場合で、屈折率変化層１２８に進入した光はそこで屈折し、屈折率変化層１２８の厚さに応じた量だけシフトして外部に出射する。
【００６６】
本実施形態の具体的な例として、導光部材１０１をフリントガラスＳＦ１８（ｎｄ＝１.７２２）で作製し、屈折率可変物質１０５をネマティック液晶ＢＬ２４（常光屈折率ｎｏ＝１.５１３，異常光屈折率ｎｅ＝１.７１７，メルク社）とし、予め図示しない配向膜を用いて液晶分子１１２を図２（Ｂ）のように光入射部１０３に対して水平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１１０及び金属膜１０７の表面に形成するのが好ましい。
【００６７】
図２（Ａ）は透明電極１１０と金属膜１０７の間に電圧を印加した場合を示し、この場合、液晶分子が電界方向に配列する。レーザ光（波長６３３ｎｍ）をＳ偏光としてθ1＝６５°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎ2≒ｎｏ＝１.５１３となるので、導光部材１０１と屈折率可変物質１０５との界面で全反射し、光出射部１０４から出射しない。
【００６８】
図２（Ｂ）は透明電極１１０と金属膜１０７の間に電圧を印加しない場合を示し、液晶分子は配向膜で規制された初期の配向状態となるため、同様の入射光に対して液晶の屈折率はｎ2≒ｎｅ＝１.７１７となる。α＝３２.５°、β＝４５°に設定すると、入射光及び反射光はほぼ直進し、光出射部１０４に対してφ1＝４５°で入射する。ここで、光路シフト手段１１１を構成する屈折率変化層１２８としてネマティック液晶ＢＬ２４を用い、予め層方向に対して水平で紙面に垂直な方向に配向しておく。図２（Ｂ）は屈折率変化層１２８に電界が印加されていない場合で、液晶の屈折率はｎL≒ｎｅ＝１.７１７となり、屈折率変化層１２８を担持する透光性部材１４３としてＳＦ１８を使用すれば、出射光１１はほぼ直進する。
【００６９】
図２（Ｃ）は屈折率変化層１２８を担持する透光性部材１４３及び導光部材１０１の表面に設けた透明電極１０２に電圧を印加し、液晶分子を層方向に対して垂直に配列させた場合を示し、この場合、液晶の屈折率はｎL≒ｎｏ＝１.５１３となり、屈折率変化層１２８に対して屈折角φ2＝５３°となる。光路シフト量をΔｘとすると、屈折率変化層１２８の厚さｔに対してΔｘ＝ｔ×ｓｉｎ（φ2−φ1）／ｃｏｓφ1≒０.２ｔとなる。すなわち、屈折率変化層１２８の厚さは光路シフト量の約５倍となり、第１の実施形態の半分程度にできる。この値はφ１すなわちβの設定に依存するが、本実施形態ではその設定の自由度が高い反面、使用する部材に高屈折率のガラスが必要となるなどの制約がある。
【００７０】
図３は、キラルスメクティックＣ相強誘電性液晶の分子配列状態を説明するための図で、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ′断面図である。上述した２つの実施形態１，２において、屈折率変化層１２８としてネマティック液晶を用いた例を示したが、キラルスメクティックＣ相強誘電性液晶を用いてもよい。その場合は透明電極１０２による電界の印加方向によって、液晶分子１１４は図３に示すような２方向の配列状態をとるため、直線偏光に対する屈折率がそれぞれで異なる。これによって光路がシフトする。キラルスメクティックＣ相強誘電性液晶を用いると、応答速度はネマティック液晶に比べて２桁程度速くなる。
【００７１】
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態を説明するための図である。本実施形態に係る光路切替素子は、その光スイッチング部の構成は基本的に第１の実施形態と同様であるが、屈折率可変物質１０５として高分子分散液晶を用いている。また、後述するが光路シフト手段１１１の屈折率変化層１２８として図３に示すキラルスメクティックＣ相強誘電性液晶を用いている。ただし、液晶分子の配列方向は図３とは異なる。
【００７２】
高分子分散液晶は高分子マトリクス１２０中に液晶ドロップレット１１９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。
【００７３】
高分子分散液晶の製法としては、
（１）液晶と熱或いは光硬化（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。
【００７４】
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又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。
【００７５】
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。
【００７６】
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基板と導光部材間に注入した後、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。
【００７７】
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）を用いた場合、図４（Ａ）の時には透明電極１１０と金属膜１０７の間に電圧を印加することによって、液晶分子が電界方向に配列している。レーザ光（波長６３３ｎｍ）をＰ偏光とし、θ1＝７５°で入射させると、この光に対しては液晶の屈折率はｎｏ・ｎｅ／（ｎｏ2ｓｉｎ2θ1＋ｎｅ2ｃｏｓ2θ1）1/2＝１.７０１となるので、層全体の屈折率は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（液晶の体積分率を約３５％と見積もった）。導光部材１０１としてクラウンガラスＢＫ７（ｎｄ＝１.５１７）を用いると式（１）に従ってθ2＝６５°となる。α＝３４.５°，β＝３９°に設定すると、反射光は光出射部１０４に対してφ1＝４３°で入射し、全反射する（オフ状態）。
【００７８】
図４（Ｂ），（Ｃ）は透明電極１１０と金属膜１０７の間に電圧を印加しない場合を示し、この場合、液晶分子の配向した液晶ドロップレット１１９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。この時、θ2＝６９°となるので、反射光は光出射部１０４に対してφ1＝３９°で入射する。この時、全反射は起こらず、光は空気層１１８を通過して、光路シフト手段１１１に入射する（オン状態）。図４（Ａ）の状態と（Ｂ），（Ｃ）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。
【００７９】
液晶ドロップレットサイズと応答速度の関係についてさらに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。
【００８０】
図５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図である。液晶材料はＥ７及びＢＬ２４（メルク社）、プレポリマーはＮＯＡ６０，６５及び８１（ノーランド社）を適宜用いた。
【００８１】
図６は、応答速度測定装置の一例を示す図である。応答速度の測定は、図６に示す装置を用いて、試料１２７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。図６において、１２１はレーザ、１２２は偏光子、１２３，１２４はレンズ、１２５は検光子、１２６はパワーメータ、１２７は試料、１２９はＡｕ電極、１３０はＳｉ基板、１３１は高分子分散液晶層である。なお、試料１２７は高分子分散液晶層１３１の厚さを２０μｍ、光路長を１ｍｍとした。
【００８２】
図７は、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す図である。電界が印加されていない時には、図７（Ａ）に示すように、液晶ドロップレット１１９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１３２を印加すると、図７（Ｂ）に示すように、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軸及び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。
【００８３】
図７に示すように、レーザ光源１２１からの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１２５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５の応答速度は本発明においても同様に適用できる。図５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。
【００８４】
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（２）のように表される。
T=exp(-NRL)，R=24π3((m2-1)/(m2+2))2V2/λ4  …（２）
【００８５】
式（２）において、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）及び波長λをパラメータとして計算した。式（２）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。
【００８６】
図８は、Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％（ｄ（０.１））、３０％（ｄ（０.３））及び５０％（ｄ（０.５））の場合について、波長に対してプロットした図である。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８より、光路切替素子（光スイッチング素子）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及び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。
【００８７】
本実施形態においては、図４の光路シフト手段１１１を構成する屈折率変化層１２８としてキラルスメクティックＣ相強誘電性液晶（例えばＣＳ−１０２９：チッソ石油化学）を用い、図示しない配向膜によって層に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向く、ホメオトロピック配向をなしておく。この層に対して平行方向の電界を印加できるように、屈折率変化層１２８を挟んで紙面手前と奥に電極対が設けられる。図４（Ｂ）の場合、すなわち液晶の自発分極Ｐｓが正でありＹ軸正方向（紙面上向き）に電界Ｅがかかっている場合には、液晶ダイレクタは液晶回転軸が概略屈折率変化層に垂直方向であるためＸＺ面内にある。液晶の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、偏光面がＸ軸方向である直線偏向（Ｐ偏光）が入射するとき、光はｎｏ、ｎｅ及びダイレクタ方向（配向角）ψに対応した偏向を受け図に示す方向にシフトする。今、液晶の厚み（屈折率変化層１２８の厚さ）をｔとするときシフト量Ｓは下記式（３）で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、ｐ１９８）。
S＝[(1/no)2-(1/ne)2]sin(2ψ・ｔ)/[2((1/ne)2sin2ψ+(1/no)2cos2ψ)]…（３）
【００８８】
図４（Ｃ）は電界方向を反転させた場合を示し、この場合、液晶ダイレクタはＺ軸を中心とした線対称の配置をとり、入射した光は図４（Ｂ）とは逆の方向にシフトする。
従ってこの直線偏光に対して、電界方向を制御することで２・Ｓの量の光路シフトが可能となる。液晶材料の代表的物性値（ｎｏ＝１.６、ｎｅ＝１.８）に対して得られるシフト量Ｓを液晶配向角ψ及び液晶の厚みｔをパラメータとして計算した結果を図９に示す。ψ＝４５°付近が最もシフト量が大きく、液晶層が厚いほどシフト量が大きい。現実的な値であるψ＝２５°付近では２・Ｓ≒０.１５ｔとなり、屈折率変化層の厚さは光路シフト量の約７倍あればよいことがわかる。またホメオトロピック配向強誘電液晶において、約７００Ｖ／ｃｍの電界に対して０.１ｍｓの応答速度が報告されており（Ｏｚａｋｉ  他、Ｊ.Ｊ.Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ.３０、Ｎｏ.９Ｂ、ｐｐ２３６６−２３６８（１９９１））、サブｍｓオーダの十分高速な応答速度が得られる。
【００８９】
キラルスメクティックＣ相液晶において配向角ψは、温度Ｔにより変化し、相転移点をＴｃとすると、θ∝（Ｔ−Ｔｃ）βの関係がある。βは材料により異なるが０.５程度の値をとる。この特性を利用して光路シフト量を制御可能である。例えば仮にψとして上記の２５°を設定し、これに対応する温度をＴθ=25°とすれば、Ｔ＞Tθ=25°ではψ＜２５°であり、Ｔ＜Ｔθ=25°ではψ＞２５°であるため温度により配向角を制御でき、これによって光路シフト量を制御できる。また位置制御に関して電界による微調が同様に行え、温度、電界或いはその両者の組合せにより適切な光路シフト量を得ることができる。
【００９０】
図１０は、屈折率可変物質及び屈折率変化層を挟持する部材の他の例を示す図である。基本的な動作原理は図４に示したものと同じである。本実施形態及び他の実施形態において、屈折率可変物質１０５及び屈折率変化層１２８は透明部材によって挟持されるが、透明部材の形状が複雑であると図４（或いは図１、図２）に示したような構造のデバイスが作製しにくくなる。そこで、図１０に示すように、屈折率可変物質１０５及び屈折率変化層１２８を挟持する部材は平板（平板導光体１１７及び透明基板１４２）とし、屈折率可変物質１０５及び屈折率変化層１２８を挟持した構造体を作製した後に、導光部材１０１を平板導光体１１７に、第二の導光部材１１３を透明基板１４２に、それぞれ光学的接合せしめるとよい。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、屈折率整合した揮発性の低い液体或いは光硬化性接着剤を用いるのが好適である。
【００９１】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の第４の実施の形態を説明するための図である。本実施形態に係る光路切替素子は、その光スイッチング部の構成は基本的には第３の実施形態と同様であるが、図１１（Ａ）の時には入射光が導光部材１０１と屈折率可変物質１０５との界面で全反射し（オフ状態）、図１１（Ｂ），（Ｃ）の時には屈折率可変物質１０５中を透過し、反射部１１５で反射した後、光出射部１０４から出射し、さらに光路シフト手段１１１を通過して、出射光１１として外部に出射する（オン状態）ように構成部材及び駆動条件を設定している。また、後述するが、光路シフト手段１１１の構成も異ならせている。
【００９２】
屈折率可変物質１０５として、第３の実施の形態と同様の高分子分散液晶を用いているが、電圧無印加時（図１１（Ａ）の時）に、ドロップレット１１９中の全ての液晶分子が概略一方向に配列している。この配列方向は電圧印加時（図１１（Ｂ）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１０３に対して水平で紙面に垂直な方向にするのが好適である。
【００９３】
具体的には第３の実施形態と同様の材料及び処方の高分子分散液晶を用い、レーザ光（波長６３３ｎｍ）をＰ偏光とし、θ1＝７５°で入射させた場合、図１１（Ａ）の時には高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（≒ｎｏ・ｎｅ／（ｎｏ2ｃｏｓ2θ1＋ｎｅ2ｓｉｎ2θ1）1/2＝１.５２４）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。導光部材１０１としてフリントガラスＦ２（ｎｄ＝１.６２０）を用いると、入射光は導光部材１０１と屈折率可変物質１０５との界面で全反射する。図１１（Ｂ）の時には高分子分散液晶層の屈折率は液晶の屈折率（≒ｎｏ・ｎｅ／（ｎｏ2ｓｉｎ2θ1＋ｎｅ2ｃｏｓ2θ1）1/2＝１.７０１）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。光入射部１０３を構成する面と光出射部１０４を構成する面はほぼ平行とし、α＝３７.５°とすると入射光及び反射光はほぼ直進し、光出射部１０４に垂直に入射し、光路シフト手段１１１を通過して外部に出射する。
【００９４】
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。
【００９５】
なお、図１１（Ａ）の時に液晶分子の配向したドロップレット１１９の向きがランダムである（予備配向しない）場合には、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）となり、上記の条件では全反射しない。全反射させるためにはθ1をより大きくするか、導光部材１０１をより屈折率の大きい材質にしなければならず、設計の自由度が低下する。また、その場合には図１１（Ｂ）の時に界面反射ロスが増加し、光利用効率が低下する。
【００９６】
光路シフト手段１１１は、厚さが連続的に変わっている部分を持ち、厚さの変化する方向が逆になるように対峙させた１対の屈折率変化層１２８と、この層を担持する透明基板１４２及び中間基板１１６からなる。厚さが連続的に変わっている部分は、図１１（Ｃ）に拡大して示すように透明基板１４２表面を傾斜角γの鋸刃状に加工することによって得られる。勿論鋸刃状でなくとも傾斜してその厚みが連続的に変化していればよいが、シフト量の効率的な取得のためには鋸刃状であることが好ましい。加工方法としてはガラス基板をエッチングするか透明プラスチック材料を射出成形等により加工しても良い。いずれの形成法においても鋸刃のエッジに相当するところは液晶配向の乱れが生じやすいのでこの部分を光が通過しないように入射光を操作するのが望ましい。屈折率変化層１２８としてキラルスメクティックＣ相強誘電性液晶（例えばＣＳ−２００５：チッソ石油化学）を用い、図示しない配向膜によって基板面に平行に分子螺旋回転の回転軸が向く、ホモジニアス配向をなしておく。電界は基板面表面に形成されたＩＴＯ等からなる透明電極（図示せず）によって、屈折率変化層１２８の法線方向に作用する。
【００９７】
図１１（Ｂ）の時には液晶ダイレクタの向きが基板面と水平で紙面に垂直な方向となり、電界方向を反転させた図１１（Ｃ）の時にはそれとほぼ直交する方向となるように、ラビング処理等により配向を規制するのが望ましい。図１１（Ｂ）の時Ｐ偏光に対する強誘電性液晶の屈折率はほぼｎｏに等しく、各基板の屈折率をそれに近いものにすれば、基板に垂直に入射した光は直進して出射光１１として外部に出射する。図１１（Ｃ）の時には、厳密には液晶ダイレクタの傾きとｎｏ、ｎｅで屈折率が決められるが、今ほぼｎｅに等しいとする。光路シフト量をΔｘとすると、屈折率変化層の厚さｔ、中間基板の厚さＬに対して、Δｘは下式で表される。
Δx=2ｔ・tan（γ-sin-1{ (no/ne)sinγ}）+L・tan（sin-1〈(ne/no)sin[γ-sin-1{ (no/ne)sinγ}]〉）
【００９８】
ｎｅ＝１.８，ｎｏ＝１.６，γ＝１°とすると、Δｘ＝０.００３９ｔ＋０.００２２Ｌとなるが、ｔは現実的には数１０μｍ以下であるため第１項を無視すると、Δｘ≒０.００２２Ｌとなる。すなわち、中間基板の厚さを光路シフト量の約５００倍に設定すればよい。この場合、光路シフト量は中間基板の厚さで決まるので、屈折率変化層１２８を薄くでき、低い電圧で駆動することができる。
【００９９】
（実施の形態５）
図１２及び図１３は、本発明の第５の実施の形態を説明するための図で、図１２は光路切替素子を二次元配列した空間光変調器の斜視図、図１３は図１２の空間光変調器を用いた画像表示装置の構成図である。
本実施形態に係る空間光変調器１４０は、第３の実施形態の光路切替素子において、金属膜１０７を個別駆動可能なように二次元配列した二次元光路切替素子である。なお、光路切替素子としては第３の実施形態のものに限らず、上述したいずれの実施形態のものであっても使用可能である。入射光を画像信号に応じて画素に対応する金属膜への印加電圧を制御することにより、面状の光のＯＮ／ＯＦＦ（空間光変調）が可能となり、二次元の明暗像となって光路シフト手段１１１に到達する。光路シフト手段１１１にてその像をシフトさせ、１フィールド内で２位置をとるように制御することで、見かけ上、光路切替素子の画素数（個別金属膜の数）の２倍の解像度の画像を表示することも可能となる。
【０１００】
本実施形態に係る画像表示装置においては、光源１３３から放出された照明光は光インテグレータ１３４で均一化され、偏光変換素子１３５によって直線偏光とされ、コンデンサレンズ１３６を介して、空間光変調器１４０に入射する。入射光は光スイッチングドライブ部１３７で画像信号に応じて、画素に対応する金属膜への印加電圧を制御することにより、二次元の明暗像となって光路シフト手段１１１に到達する。光路シフト手段１１１を通過した像は投射レンズ１３９によって拡大されスクリーン１４１に投影される。光路シフトドライブ部１３８で１フィールド内で２位置をとるように電圧の制御を行い、それと同期して光スイッチングドライブ部で画像信号の切り替えを行うことにより、見かけ上、光路切替素子の画素数（個別金属膜の数）の２倍の解像度の画像を表示することができる。この場合、光路シフト量は画素ピッチの１／２とするのが好ましい。同様に光路シフト量を画素ピッチの１／３として、１フィールド内で３位置をとるように制御すれば３倍の解像度の画像を表示することができる。
【０１０１】
また、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。
【０１０２】
以上、詳細に述べたように本発明の光路切替素子は、光スイッチングと光路シフトを同時に行うことによって出力される情報量を増倍し、これを用いた画像表示装置の解像度を向上させるものであるが、入射光に対して、光利用効率が低下することなく出射光が縮小される特質を利用して、特別な光束縮小手段（例えばマイクロレンズアレイ等）を付与することなく、直接光路シフトによる増倍が実現できるところに大きな特徴がある。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明によれば、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の間に、情報に応じて信号を与えることによって入射光の進行方向を変化させることができる物質を設け、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の外側に、別の信号の印加によって出射光の光路を平行移動させることができる手段を具備しているので、構造が簡単で、空間利用効率が高く、伝達する情報量を増加できる光路切替素子を提供することができる。
【０１０４】
本発明によれば、上記光路切替素子を二次元アレイ状に配列したので、構造が簡単で、空間利用効率が高く、伝達する情報量を増加できる空間光変調器を提供することができる。
【０１０５】
本発明によれば、上記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したので、低コストで解像度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の実施の形態を説明するための図である。
【図２】  本発明の第２の実施の形態を説明するための図である。
【図３】  キラルスメクティックＣ相強誘電性液晶の分子配列状態を説明するための図である。
【図４】  本発明の第３の実施の形態を説明するための図である。
【図５】  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６】  応答速度測定装置の一例を示す図である。
【図７】  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す図である。
【図８】  Ｔ＝０.９となる粒径を体積分率が１０％、３０％及び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９】  液晶材料の代表的物性値に対して得られるシフト量Ｓを液晶配向角ψ及び液晶の厚みｔをパラメータとして計算した結果を示す図である。
【図１０】  屈折率可変物質及び屈折率変化層を挟持する部材の他の例を示す図である。
【図１１】  本発明の第４の実施の形態を説明するための図である。
【図１２】  本発明の第５の実施の形態を説明するための図で、光路切替素子を二次元配列した空間光変調器の斜視図である。
【図１３】  本発明の第５の実施の形態を説明するための図で、図１２の空間光変調器を用いた画像表示装置の構成図である。
【図１４】  従来の空間光変調器の平面図である。
【図１５】  図１４に示した空間光変調器のひとつの回転鏡の断面図である。
【図１６】  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。
【図１７】  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…入射光、１１…出射光、１０１…導光部材、１０２…透明電極、１０３…光入射部、１０４…光出射部、１０５…屈折率可変物質、１０６…反射部材、１０７…金属膜、１０８…絶縁体、１０９…基板、１１０…透明電極、１１１…光路シフト手段、１１２…液晶分子、１１３…第二の導光部材、１１４…液晶分子、１１５…反射部、１１６…中間基板、１１７…平板導光体、１１８…空気層、１１９…液晶ドロップレット、１２０…高分子マトリクス、１２１…レーザ、１２２…偏光子、１２３，１２４…レンズ、１２５…検光子、１２６…パワーメータ、１２７…試料、１２８…屈折率変化層、１２９…Ａｕ電極、１３０…Ｓｉ基板、１３１…高分子分散液晶層、１３２…電界、１３３…光源、１３４…光インテグレータ、１３５…偏光変換素子、１３６…コンデンサレンズ、１３７…光スイッチングドライブ部、１３８…光路シフトドライブ部、１３９…投射レンズ、１４０…空間光変調器（二次元光路切替素子）、１４１…スクリーン、１４２…透明基板、１４３…透光性部材。
【図１】
0004785023.tif 000002
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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