(57)【要約】【課題】薄くて大きな屈折率を有し、カメラ用レンズ・シャッター等に有用な光学素子を提供する。【解決手段】表面が少なくとも凹または凸形状を有する透明磁性体と、該透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とが、この順に光路に沿って設けられてなる光学素子であり、特に、該透明磁性体は、化学式：Ｔｉ２−Ｘ ＭＸＯ４（ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、０＜ｘ＜２）で表されるチタニアナノシートを含有するものが好ましい。【選択図】図３
2009145772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が少なくとも凹または凸形状を有する透明磁性体と、該透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とが、この順に光路に沿って設けられてなることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記透明磁性体は、化学式：Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４ （ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、０＜ｘ＜２）で表されるチタニアナノシートを含有することを特徴する請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記透明磁性体は、肉厚が連続的に変化しており、その連続的肉厚変化に応じて磁化する機構が磁場勾配を有することを特徴する請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記透明磁性体は、連続的肉厚の増加に対応して、チタニアナノシートの遷移金属の置換量が低減されることを特徴する請求項２または３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記透明磁性体を透明支持体上に規則的な２次元配列として設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
偏光変換素子を請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子の入射光側に配置して用いることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
前記透明磁性体を透明支持体の陥没部位に設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子に加えて、光源と透明磁性体を磁化する機構の駆動回路とを設けたことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は透明磁体のファラデー効果を用いた光学素子、及びこの光学素子を用いた表示装置に関し、詳しくは、その形状に依存したレンズ機能を有した透明磁性体と、この透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とを組み合わせて設けた、特に電気的に光を高速度にスイッチングする電気式レンズシャッターとして有用な光学素子、及びこの光学素子に光源と駆動回路とを組み合わせて設けた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は透明磁性体に、光を屈折させるレンズ機能と磁気光学効果（ファラデー効果）機能とを併せ持たせることにより、従来の機械式シャッターが無くとも、電気的に光を開閉自在とするカメラ用レンズなどの光学素子に関するものである。この場合の従来技術としては、１）カメラ用レンズと２）シャッターがある。
従来より、光学機器用レンズにはガラスや石英などの材料が一般的に用いられてきており、また、シャッターとしては機械式に光路を開閉するものが用いられてきた。
しかしながら、こうした従来の光学機器用レンズに対しては次の課題や要望があった。即ち、光学機器をより小型化するために、大きな屈折率を有する材料を用いてより薄い形状としたいという課題である。
また従来の機械式シャッターに対しては次の課題や要望があった。
（１）開閉するシャッター羽根の接触による、開閉時間のバラツキがある。また振動が生じて画像ぶれが生じ易かった。
（２）３００万画素以上の携帯電話用カメラが開発されているが、この場合には落下時の衝撃に耐えるシャッター取り付けが必須要件であるが、必ずしも十分にこの課題が解決されていない。
（３）現在は最大で１／２０００秒程度のシャッタースピードであるが、更に高速化して、安価に高速度撮影をしたいという要求がある。
（４）レンズを２次元にアレイ化して、画像形成用途に用いたり、または光通信用に用いたりする用途があるが、個々のレンズにシャッターを同軸で配置することは困難であった。
（５）機械式シャッターの閉める体積部分を無くして小形化したいという要求があった。
【０００３】
ところで、透明磁性体のファラデー効果を用いた磁気光学素子は、磁性膜の高い耐久性、即ち温度や湿度、薬品、光などに対する耐久性が高いことおよび、膜として高い柔軟性を有するために、支持体としてプラスチックフィルムを用いれば、フレキシブルな磁気光学素子として用いることができ、またナノ秒という速い書き換えスピード、及び磁気ペンなどによる追記が可能などの多くの特徴がある。そのためいくつかの磁気光学素子の提案がある。
従来のファラデー効果を用いた磁気光学素子においては、透明磁性体として「希土類鉄ガーネット薄膜」を用いたもの（特許文献１）や、「希土類鉄ガーネット粉末を塗布膜として」用いたもの（特許文献２）や、「希土類鉄ガーネット単結晶」を用いた磁気光学素子（非特許文献１）が提案されている。しかし「希土類鉄ガーネット薄膜」は製膜のための加熱温度が５００℃〜７００℃と高いために、使用する支持体が大幅に制限されて、例えばプラスチックフィルムを用いることが出来ない。また「希土類鉄ガーネット粉末」を用いる場合には、結晶化のための高温は必要ないが、粒界による大きな光散乱のために、実用的な膜厚においては可視光の透明性が得られず、従って光遮断時／光透過時の光量によって表示するコントラスト比が小さく実用的なコントラスト比は得られなかった。また、「希土類鉄ガーネット単結晶」は大きな面積で得る事が困難であり、フレキシビリティも得られず、高価であった。
【０００４】
また、ファラデー回転を利用した代表的素子としては、１９９０年代の米国カーネギーメロン大学とリットン社とで共同開発された空間光変調器がある（非特許文献１）。この素子ではＬＰＥ法で作製した３μｍもの厚い単結晶希土類鉄ガーネット膜を用いており、また各ピクセルは分離されている。ＸとＹのドライブラインを用いており、交点での局部的磁界強度を用いて磁化反転させる方法である。しかし効率が悪く従って大きな電流（２５０ｍＡ）を用いている。またＸ配線は磁界利用効率を高めるために、希土類鉄ガーネット膜中に埋め込むと言う複雑な構造がとられている。
【０００５】
しかしながら、上記の光学素子における磁性体をカメラ用レンズや２次元化したレンズ及びシャッターに適応することは、所望の光透過率に達していない、実用的なファラデー回転角を得るのが難しい等の理由から困難であると考えられていた。また、透明磁性体としてよく知られた磁性ガーネット（例えばＹＩＧがある）は、鉄イオンによる光吸収のために、無色ではなく、黄色味を帯びていた。またＧＧＧ（ガドリウム  ガリウム  ガーネット）というようなエピタキシャル用の基板材料の上に、単結晶として形成されて用いられることが多かった。この単結晶作製には多くの時間とコストが必要で利用上不便であった。
【０００６】
一方、透明磁性体としては、既にチタニアナノシートが提案されている（特許文献３）。ここでは、チタニア磁性半導体ナノ薄膜と有機膜を１層ずつ、電気的なエネルギーを用いて積層していく製膜方法（交互自己組織化技術）（図１）がとられている。またチタニアナノシート分散液に水溶性有機化合物などの各種有機化合物を添加して、スピンコート法などの塗布法を用いて形成することも可能である。
このチタニアナノシートは光吸収に関して図２に示すように可視光域で非常に小さいという特徴を有する。また紫外光に対しては吸収性能が大きいという特性を有する。Ｃｏ置換とＦｅ置換の２種類のチタニアナノシートを積層すると、３０°／μｍの回転角が得られることが既に非特許文献２で報告されている。
【０００７】
【特許文献１】特公昭５６−１５１２５号公報
【特許文献２】特開昭６２−１１９７５８号公報
【特許文献３】特開２００６−１９９５５６号公報
【非特許文献１】J.Appl.Phys.,76,p1910(1994)J-k.Choほか
【非特許文献２】Adv.Mater.,18,295-299（2006）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、より薄くて、大きな屈折率を有する光学素子を提供することであり、更にはこの光学素子を用いることによって先に記載した機械的なシャッターの問題点を解消して、即ち、（ｉ）開閉するシャッター羽根の接触による開閉時間のバラツキや振動を無くし、（ｉｉ）シャッタースピードを向上させ、（ｉｉｉ）シャッター機能を小形化し、（ｉｖ）２次元アレイ化したレンズすべてが高速度に個別に光路開閉を制御できるようにした、特にカメラ用レンズ・シャッター等に有用な光学素子、及びカラー画像等がスクリーン上に拡大・縮小して表示できる表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、前記課題は下記（１）〜（８）によって解決される。
（１）表面が少なくとも凹または凸形状を有する透明磁性体と、該透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とが、この順に光路に沿って設けられてなることを特徴とする光学素子。
（２）前記透明磁性体は、化学式：Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４ （ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、０＜ｘ＜２）で表されるチタニアナノシートを含有することを特徴する前記（１）に記載の光学素子。
（３）前記透明磁性体は、肉厚が連続的に変化しており、その連続的肉厚変化に応じて磁化する機構が磁場勾配を有することを特徴する前記（１）または（２）に記載の光学素子。
（４）前記透明磁性体は、連続的肉厚の増加に対応して、チタニアナノシートの遷移金属の置換量が低減されることを特徴する前記（２）または（３）のいずれかに記載の光学素子。
（５）前記透明磁性体を透明支持体上に規則的な２次元配列として設けたことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学素子。
（６）偏光変換素子を前記（１）〜（５）のいずれかに記載の光学素子の入射光側に配置して用いることを特徴とする光学素子。
（７）前記透明磁性体を透明支持体の陥没部位に設けることを特徴とする前記前記（１）〜（６）のいずれかに記載の光学素子。
（８）前記（１）〜（７）のいずれかに記載の光学素子に加えて、光源と透明磁性体を磁化する機構の駆動回路とを設けたことを特徴とする表示装置。
【発明の効果】
【００１０】
（１）請求項１に記載の発明によれば、透明磁性体表面を凹形状または凸形状にして形成し、該透明磁性体を磁化する機構と偏光子を合わせ有する光学素子としたので、偏光を発生する光源とともに用いることにより、光の進行方向を大きく変化（屈折）させるというレンズ効果と該光学素子通過光の偏光面が大きく回転するという２つの機能を合わせ持たせることができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、化学式：Ｔｉ２−ＸＭｘＯ４ （ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、０＜ｘ＜２）で表される凹または凸形状を有して、且つ大きな屈折率を有する透明磁性体を用いたので、より薄くて、小型化した光学素子を提供することができる。また本光学素子の光透過、遮断スピードもナノ秒という高速度とすることができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚変化に反比例して、印加磁場強度を変化できるようにしたので、表面形状に依存しないファラデー回転角が得られて、上記請求項１に記載の発明と同様の効果がより有効に得ることができる。
（４）請求項４に記載の発明によれば、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚に反比例して、チタニアナノシートの遷移金属の置換量を変化させたので、表面形状に依存しないファラデー回転角が得られて、上記請求項１に記載の発明と同様の効果がより有効に得ることができる。
（５）請求項５に記載の発明によれば、透明支持体上に凹または凸形状を有する透明磁性体を規則的な２次元配列としたので、レンズすべてが高速度に光路開閉を制御でき画像表示素子としての有用性が向上する。
（６）請求項６に記載の発明によれば、分離した偏光の出射位置が一致した偏光変換素子を光路前方に配置して用いることにより、従来は最大でも５０％であった光の利用効率が７０〜８０％程度と大幅に向上できる。
（７）請求項７に記載の発明によれば、凹または凸形状を有する透明磁性体を、透明支持体の陥没部位に設けて、支持体と一体化して用いるようにしたので、画像表示素子の作成方法が簡便になり、またそのまま利用が可能となって有用性が大幅に増加する。
（８）請求項８に記載の発明によれば、複数の光学素子を配列した後、この素子の透明磁性体を個別に磁化する機構の駆動回路を設けて、光源からの各素子への光を個別に透過又は遮断して（半開でもよい）、投影用のスクリーンに光源からの光を拡大・縮小して表示装置として利用するようにしたので、従来のような大掛かりなレンズ系や、シャッターを別途設ける必要が無く、コンパクトな構成が可能となって有用性が大いに高められる。ＲＧＢ（Ｒ：レッド、Ｇ：グリーン、Ｂ：ブルー）用素子を組にして１画素用に設ければカラー画像は容易に得られるし、特にシャッター速度（開閉速度）が電子スピンの反転を用いるので高速である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明に係る光学素子及び表示装置について詳細に説明する。
本発明における光学素子（請求項１、２に記載の発明）は、カメラ用レンズや２次元化したレンズ及びシャッターに有用なものであることから、磁性材料には透明なものを用いられる。本発明で用いられる透明磁性体というのは、従って可視光に限らなくて、紫外光や赤外光でも利用できるが、少なくとも光透過率が８０％以上好ましくは９５％以上を有する磁性体に適用できる。また、本発明で用いる透明磁性体は、屈折率εμ１／２（εは誘電率、μは透磁率）が高い材料、即ち誘電率および透磁率の大きい材料が選択されるのが望ましい。
【００１２】
本発明で用いる透明磁性体は多結晶膜でもよいし単結晶でもよい。また透明磁性体は、強磁性体でもよいし、また常磁性体や反強磁性体などでも用いることができる。常磁性体の場合には、外部磁場を付与できることが必須条件となる。本発明で用いる磁性体が透明と限定しているのは、光の波長に依存し、可視光を用いる場合には４００〜８００ｎｍで透明であることが必要であるし、また紫外光や赤外光などで透明であれば、異なった用途例えば光通信用途に用いることができるためである。
【００１３】
本発明におけるファラデー効果を有する一般的な透明強磁性材料としては、Ｃｏフェライト、Ｂａフェライトなどの酸化物、ＦｅＢＯ３、ＦｅＦ３、ＹＦｅＯ３、ＮｄＦｅＯ３などの複屈折が大きな材料、ＭｎＢｉ、ＭｎＣｕＢｉ、ＰｔＣｏなどが挙げられ、透明性が得られる程度に薄くして（誘電体膜と組み合わせてもよい）使用することが可能である。特に透明度が高い無機磁性材料としては、ｎ型Ｚｎ１−ＸＶＸＯやＣｏをドープしたＴｉＯ２などがある。 
【００１４】
また、可視光全体にわたって均一でかつ大きな性能指数を有する透明磁性材料としては、下記一般式で表される希土類鉄ガーネットを用いることができる。 
Ｒ３−ＸＡＸＦｅ５−ｙＢｙＯ１２
（式中、０．２＜ｘ＜３、０≦ｙ＜５であり、 
Ｒは希土類金属で、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕのうちの少なくとも一種以上であり、 
ＡはＢｉ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｃａ及びＰｔのうちの少なくとも一種以上であり、 
ＢはＡｌ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｆｅ（ＩＩ）、
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｔｉの少なくとも一種以上である。）
【００１５】
上記した常磁性体としては以下の磁性体が用いられる。
立方晶系ガーネット構造を有するＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２単結晶は、可視光域及び近紫外光域で透明でありかつ大きなファラデー回転角を有しているので、本発明の光学素子用磁性体として用いることができる。Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２単結晶は、フラックス法またはレーザーを用いたフローティング・ゾーン法を用いて作製される。
【００１６】
本発明で特に好ましく用いる透明磁性体は、以下の化学式で表されるチタニアナノシートである。
化学式：Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４ （ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、０＜ｘ＜２）
このものは、Ｔｉ格子位置に磁性元素が少なくとも１種の金属が置換した層状チタン酸化物微結晶を化学的処理により結晶構造の基本最小単位である層１枚にまで剥離して得られる薄片粒子（以下チタニアナノシートと呼ぶ）からなる磁性半導体ナノ薄膜である。このチタニアナノシートは誘電率が酸化チタン（ルチル）の約２倍であり透磁率も共に大きい。即ちより薄くて屈折率が大きいので、光学素子として例えばカメラ用レンズや光ピックアップ用レンズ、更には２次元化したアレイ状レンズなどを大幅に小型化できることとなる。以下にこのナノシート作製方法に関して述べる。
【００１７】
まず、層状構造を有するチタン酸化物粉末に塩酸などの酸水溶液を接触させ、生成物をろ過、洗浄後、乾燥させると処理前に層間に存在したアルカリ金属イオンがすべて水素イオンに置き換わり、水素型物質が得られる。次に得られた水素型物質をアミン等の水溶液中に入れ撹拌すると、コロイド化する。このとき、層状構造を構成していた層が１枚１枚にまで剥離することとなる。なお、前段の酸処理は、特公平６−８８７８６号、特許第１９６６６５０号及び特公平６−７８１６６号、特許第１９３６９８８号、特開平９−２５１２３号、特許第２６７１９４９号等公報に開示されている。 
【００１８】
また出発化合物である層状チタン酸化物としては、レピドクロサイト型チタン酸塩のＴｉ格子位置に遷移金属元素（Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ）が少なくとも１種置換した層状チタン酸化物Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４ （ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種、０＜ｘ＜２）などを用いることができる。より好ましくは、Ｆｅ又はＣｏ元素を０＜ｘ＜０．８の範囲に置換することである。室温以上での強磁性特性を誘起する遷移金属元素としては、Ｆｅ又はＣｏ元素を０＜ｘ＜０．８の範囲に置換することが望ましいが、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の遷移金属濃度の調整、２種以上の金属の組み合わせ、ドーパントの添加などにより強磁性特性、例えば、磁化率、磁気光学特性、磁気転移温度などを調整することが可能となる。ＣｏとＦｅと言うように２種類の元素を同時に１つのナノシート中に置換することも、大きなファラデー回転角を得るための有力な方法である。
【００１９】
ついで、上記の層状チタン酸化物Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４を酸処理して水素型（Ｈ０．８Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４・ｎＨ２Ｏ）に変換後、適当なアミンなどの水溶液中で振盪することにより、ゾル化する。このゾル化する段階で、前記化学式：Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４ （ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、０＜ｘ＜２）を有するであるチタニアナノシートが生成され、ゾル溶液中には母結晶を構成していた層、すなわちナノシートが１枚ずつ水中に分散している。ナノシートの厚みはその出発母結晶の結晶構造に依存するが、１ｎｍ前後と極めて薄い。一方、横サイズはμｍオーダーであり、形状において非常に高い２次元異方性を有する。
【００２０】
なお、以上で説明したチタニアナノシートにおいては、可視光域におけるファラデー回転角の波長依存性が極めて少ない透明磁性体として形成することができる。従って、波長依存性が小さくなければならないレンズとしても利用することができるようになった。例えば後記の実施例１で示す、ＣｏＦｅ同時置換ナノシートが挙げられ、可視光域での波長依存性は極めて少ない。
【００２１】
ところで、従来技術の課題で述べたように、チタニアナノシートの分散液をそのままスピンコーターその他の塗布方法で１μｍ程度の厚みに塗布すると、ランダムに積層したナノシートからの光散乱によって透明性が得られないという不具合がある。ここでチタニアナノシート分散液の分散剤としては、ＴＢＡ（テトラ  ブチル  アンモニウム）が好ましく用いられる。勿論他の分散剤でも構わないが、チタニアナノシートはマイナス電荷を帯びているので、電気的な結合により凝集を発生させない材料が必要となる。ＴＢＡは水溶媒への分散剤として用いられ、製膜時にナノシートのほぼ全表面を一層で覆うような構造をとり、ナノシートを包囲する。
【００２２】
また、本発明においては水溶性（水性）高分子を水溶性有機化合物として分散剤以外に追加して用いることにより、光散乱を低下させて、膜の透明性を確保することができる。ナノシートで散乱した光は、この追加した透明高分子により、光導波路のように磁性体を通過すると思われる。
【００２３】
なお、水溶性（水性）高分子の使用量としてはあまり少ないと光の通過路としての機能が果たせない。また、あまり多いと磁性体としての機能が低下しすぎることになる。０〜４０重量％の間で最適な混合量を検討したところ、透明性は混合量に比例して向上するが、５重量％〜３０重量％が高い透過率が得られ、特に好ましいことがわかった。３１重量％以上では磁気的特性特にファラデー回転角の低下が著しいので、３０重量％以下の混合量が好ましい。
【００２４】
また、水溶性（水性）高分子を用いることにより、ＴＢＡなどの分散剤によって抱き込まれた気泡を大幅に減少させる効果が生じる。水溶性（水性）高分子を用いない場合には、製膜乾燥後の膜中には多くの空孔（数百ｎｍから数μｍの長さ）が含まれ、光散乱を生しで膜の透明性が低下するが、水溶性（水性）高分子を用いた場合には、この空孔が断面ＴＥＭ観察しても見られない。結果として膜の透明性が大幅に向上することになる。膜の透明性は本発明品を使用する場合に、非常に重要である。
【００２５】
ここで言う水溶性（水性）高分子とは、水に溶解する高分子であり、例えば、でんぷん、カゼイン、にかわ、ゼラチン、アラビアガム、アルギン酸ソーダ、ペクチンなどの天然高分子、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ビスコースなどの半合成高分子、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸ソーダ、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドンなどの合成高分子が挙げられる。
【００２６】
なおこのようにして作製した磁性体（透明磁性体）は、製膜後、過熱又はＵＶ照射によってＴＢＡが吸収している水分を取り除く方が好ましく、よりナノシート層のファラデー効果を発揮することがわかった。加熱は１００℃〜１５０℃、１０分〜数時間程度で良い。またＵＶ照射は数時間から数十時間と十分に照射することが好ましい。例えば１μｍの厚みに塗布した場合のファラデー回転角は、チタニアナノシートの磁性原子置換条件によるが、５〜２０°と実用上適用可能な値が得られた。
【００２７】
また本発明の透明磁性体において、前記水溶性（水性）高分子は、ゼラチンであることが好適である。
本発明においては、ナノシートは積層して用いられることが好ましいが、水溶性（水性）高分子の中でも、ゼラチンはこの点（ナノシートの積層化）において特に好ましい。ゼラチンと、他の水溶性高分子、例えば上記カルボキシメチルセルロースやヒドロキシエチルセルロース、ポリビニルアルコールをナノシートの１０重量％用いた場合に、膜厚みを１μｍとして塗布すると、Ｘ線回折図における回折ピーク（２θ≒４．８°）強度はそれぞれ以下のとおりであった。
・カルボキシメチルセルロース          ３３  kcounts/s
・ヒドロキシエチルセルロース          １１  kcounts/s
・ポリビニルアルコール                １８  kcounts/s
・ゼラチン                            ７５  kcounts/s
【００２８】
回折ピーク（２θ≒４．８°）強度はナノシートの積層周期によって生ずるもので、１次回折線と称され、他にも２次、３次などの回折線が現れる。回折ピーク強度は、支持体上におけるナノシートの配列規則性の高さの状態に比例して大きくなるので、ゼラチンの場合には非常に好ましいと言える。またゼラチンを用いた場合の膜断面をＴＥＭ法で観察すると、上記ゼラチン以外の３種類の水溶性高分子に比較して、最も膜中の空孔が少なくかつ表面凹凸が少ないため（平滑性が高い）に、膜の高い透明性が得られる最も好ましいことがわかった。なおゼラチンはたんぱく質の分解率を高めて用いた方が、ナノシートとの凝集発生が少なく好ましい。
【００２９】
本発明の光学素子は、必ずしも透明支持体は必須ではないが、透明支持体上に本発明の透明磁性体からなるレンズを形成する場合がある。
また、本発明の磁性体は必要に応じて透明支持体上に設けられるが、この場合、前記支持体の表面に水に対する表面接触角を低下させる下地層（表面処理層）を設けることが好ましい。
ナノシートは上述してきたように、周期的配列性が非常に重要である。この配列性を高める要因としては、支持体の水に対する表面接触角があり、１０°以下と低いことが重要なことがわかった。前記Ｔｉ格子位置に置換する元素がＣｏおよびＦｅ（Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３Ｔｉ１．５Ｏ４）であるナノシート分散液（ゼラチン混合液）を用いて、膜厚みを１μｍとして表面接触角が５°のガラスの支持体上に塗布すると、未処理の表面接触角２１°のガラスの場合に比較して、Ｘ線回折図における回折ピーク（２θ≒４．８°）強度に大きな差異が現れ、表面接触角が５°のガラスの場合の方が約１０倍大きく、且つ膜の透明性が高かった。
【００３０】
ナノシートの配列性が低いと、膜のファラデー回転角も小さくなることがわかった。表面接触角が高いと、分散液中のナノシートの支持体表面へのなじみが悪く、従ってその上へのナノシートの配列性に差異が生ずるものと考えられる。
【００３１】
なお、表面接触角を低下させる方法は従来から各種ある。例えば表面を酸素、オゾン、窒素、アルゴンなどの各種プラズマなどを用いて、支持体表面の汚れを落とす方法はよく用いられる。またナノシートは特殊形状（例えば厚さ１ｎｍ×縦１μｍ×横１μｍ）を呈しており、かつ電気的に強いマイナス電荷を帯びているという事情から、ナノシート分散液の濃度を高くすることができない。このために表面接触角の大小は特に重要で、長時間安定して低いことが要求される。支持体表面に下地層を設けるなどの加工処理することにより長時間低い表面接触角が得られる方法もある。例えば空気中真空雰囲気でのイオンビームを利用し、反応基を樹脂表面へ注入する表面改質処理方法や、界面活性剤など各種の有機材料塗布する方法、表面に微細な凹凸を設ける方法、酸化チタンなどの触媒機能を有する透明無機材料をＰＶＤ法やＣＶＤ法及び塗布法などで設ける方法など、表面処理層を設けることが好ましい。
【００３２】
本発明の光学素子は、カメラ用レンズや２次元化したレンズ及びシャッターに有用であることから、透明磁性体はその形状が重要であり、従来のような平板形状では無く、表面が凹か凸形状に形成される必要がある。即ち、透明磁性体はレンズ機能をもたせるために、表面形状を凹か凸形状に形成される。これは光を大きく屈折させるためであり、特に上記したように、大きな屈折率を生かして用いるためである。この表面が凹か凸形状に形成された透明磁性体では、平板の一部分が凹形状または凸形状に形成されているのではなく、光を透過する表面が少なくとも凹または凸形状を有し、好ましくは凹または凸形状は連続的に（一定を含めて）変化するものである。矩形の溝形状などで用いた場合でも、集光や発散などのレンズ効果は、透明磁性体の大きな屈折率のために、従来よりも大きい。光が透過しない表面の形状は特段の制限はない。
【００３３】
透明磁性体は表面の形状が好ましくは連続的に変化するので、光を透過しない面（外形）は丸や角など適宜用いられるが、光は連続的変化の影響によって屈折率が変化して、レンズ効果が現れる。最も単純な例では、凹レンズや凸レンズである。透明磁性体はあらかじめ磁化されていてもよいし、磁化されていなくてもよい。
【００３４】
現在市販されているレンズの屈折率は、プラスチックレンズで１．５０〜１．７４、ガラスレンズで１．５０〜１．９０である。このように屈折率の点ではガラスレンズの方が薄くできるが、しかし比重がプラスチックの１．１７〜１．３５に対して、ガラスでは２．４１〜３．９９と大きいために薄くて軽いものは出来ない。
本発明では、透明磁性体で特に好ましく用いられるチタニアナノシートの比重は、後に詳細に述べるように、ほぼ半分がポリマー材料で構成されるために、比重は２．０〜２．５程度である。また屈折率は２．０〜３．０と極めて大きい。このために薄くて軽いレンズを作製することができる。
しかし従来チタニアナノシートは平坦な膜状で用いたので、透明性が高くてもレンズとしては用いることが出来なかった。本発明者らはチタニアナノシートの分散液に５〜２０重量％程度のゼラチンを混合したり、支持体上に表面接触角を低下させる処理をすることにより、８０〜９５％の透過率を得ることができるようになり、本発明を達成することができた。ゼラチンはチタニアナノシートの配列性を向上させたり、表面平滑性を向上させたりする効果以外に、接着剤機能も有するために、光学素子としての形状保持も可能となった。
【００３５】
本発明では、透明磁性体は必ずしも光が透過する全表面が凹または凸形状でなくてもよく、平面と組み合わせた形状でもよい。例えば平板シート基板上に凸レンズ（椀状突起）を設けた複合型光学素子でもよい。
【００３６】
本発明では上記した透明磁性体の表面形状を、レンズ機能を持たせるために凹または凸形状に形成するが、更に高速度シャッター機能を付与するために、透明磁性体の上に偏光子と、透明磁性体に近接してこの透明磁性体を磁化する機構例えば磁気コイル、永久磁石などを設けて光学素子として用いる。この光学素子においては、磁気コイルへの通電と停電によって光を透過または遮断する。磁性体の磁化は電子スピンの方向変化に因るので、磁界発生によって、透明磁性体の磁化方向を光の進行方向または進行と逆方向にナノ秒程度と高速度でかつ可逆的に変化できるという特徴を有する。
【００３７】
従って、透明磁性体を磁気コイル等によって磁化方向を変化させると、従来の機械的なシャッターでは１／２０００秒程度のシャッタースピードが、約１／１０００００００００秒程度と５０００００倍程度高速化される可能性を有する。更には従来の機械式シャッターの課題であった開閉するシャッター羽根の接触による、開閉時間のバラツキや振動を無くす。機械式シャッター機能を小形化して設けることが可能になる。また2次元アレイ化したレンズすべてを高速度に個別に光路開閉を制御できる。
【００３８】
この光学素子に偏光光源例えば、偏光発光ＬＤからの偏光を入射すると、偏光面は磁化方向によって進行方向（光軸）に対して右又は左に回転する。これはファラデー効果といわれる現象である。
本発明では透明磁性体を磁化する機構を設けたために、このようにレンズ機能を有する透明磁性体を透過する光の偏光面を回転することができる。この透明磁性体の透過光を、偏光子を有する受光装置で受光する場合に、右回転した偏光か左回転した偏光かによって受光をスイッチング（受光有り、受光無し）することができる。
【００３９】
なお、この場合の透明磁性体のファラデー回転角は大きい方がＳ／Ｎが良いので、透明磁性体としてチタニアナノシートを用いた場合には、ナノシートの配列性を向上させることが重要になり、例えばレンズ形成時には３〜１５テスラ程度の磁界を基板面に平行または垂直に印加するとか、基板面の水に対する接触角を５°程度に低下させるとかの対策が必要になる。また、チタニアナノシートを用いた場合には、支持体なしで凹凸形状に形成することが可能である。
【００４０】
本発明における透明磁性体は、凹凸形状が好ましくは連続的に変化するものであるが、これ以外に、階段状即ち格子状に変化させて、レンズ機能を持たせることも可能である。凹凸は波状や椀状に形成して用いることも可能である。また、磁界印加方向は必ずしも光の進行方向（光軸）に対して平行としなくても、３つ目のモードとして印加しないモードを加えてもよく、この場合には、回転が右または左方向に加えて、回転がほぼゼロというモードを加えた透過、遮断、中間透過などの利用形態が可能となる。
【００４１】
上記のとおり、本発明の光学素子は必ずしも透明支持体は必須ではないが、透明支持体上に本発明の透明磁性体からなるレンズを形成する場合がある。この透明支持体の材料としては、一般に石英ガラス、ＧＧＧ、サファイア、リチウムタンタレート、結晶化透明ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、単結晶シリコン、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３・ＭｇＯ、ＭｇＯ・ＬｉＦ、Ｙ２Ｏ３・ＬｉＦ、ＢｅＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴｈＯ２・ＣａＯなどの透明セラミック材料、無機シリコン等の無機材料を用い得る。
【００４２】
また偏光子層としては、各種の市販の偏光フィルムを用いることができる。偏光フィルムには大別して多ハロゲン偏光フィルム、染料偏光フィルム、金属偏光フィルムなどがあるがこれらに限定されるものではない。また以下の偏光子を用いることもできる。
（１）特開平０１−９３７０２号公報記載の偏光子
強磁性体微粒子からなる多数の棒状素子を含む偏光層支持体表面に、一定方向に配列して固着形成することにより、製造が容易でかつ光学的特性の優れた偏光板である。
（２）ワイヤグリッド偏光子（東京農工大学  佐藤勝昭著「現代人の物理−光と磁気」（朝倉書店）1988年出版、ページ103に記載。）
透明支持体に微小な間隔で金やアルミニウムの線を引いたものある。この場合、線の間隔ｄ、波長をλとすると、λ≫ｄの波長の光に対して、透過光は線に垂直な振動面を持つほぼ完全な直線偏光に成ることを利用している。偏光度は97％程度と言われている。
（３）コーニング社製「ポーラコア」
長く延伸させた金属銀をガラス自身の中に一方向に配列させることにより、偏光特性を持たせたガラスで、従来の有機物偏光素子と異なり耐熱性、耐湿性、耐化学薬品性、レーザーに対する耐性に非常に優れている。赤外線用が主であるが、特殊仕様として可視光用がある。
（４）積層型偏光子
東北大学電気通信研究所の川上彰二郎教授が１９９１年頃に発表したもので、可視光用にはＲＦスパッタリング法で、６〜８ｎｍの厚みのＧｅ（ゲルマニウム）と、１μｍ厚みのＳｉＯ２を交互に６０μm厚みになるまで積層して作製している。０．６μｍの波長で測定した性能指数αＴＥ／αＴＭ（ＴＥ波とＴＭ波に対する消衰定数の比）は４００近く、０．８μmの波長で測定した消光比は３５ｄＢ、挿入損失は０．１８ｄＢであり、可視光に対して十分なものである。
（５）反射型偏光子
住友３Ｍ株式会社が販売しているものである。屈折率の異なる薄膜を何百層も重ねて積層し、層間で反射・透過を繰り返して偏光を取り出す。ＳとＰ偏光の内一方を反射して、一方を通過させるために反射型という。全厚みは１００μｍ程度である。吸収タイプに比較して、反射するので画像が明るく感じられる。米Moxtek社のアルミニウム細線を周期的に並べた、ワイヤグリッドタイプの反射型偏光子もある。
（６）偏光ビームスプリッター
光束を２本以上のビームに分割又は合成する光学素子をビームスプリッターという。その中でも分岐された２光束の偏光方向が異なるように分割するものを偏光ビームスプリッターという。２個の直角プリズムを接着した面に誘電体多層膜をコートしたものが一般的であり、Ｐ偏光成分は透過し、Ｓ偏光成分は９０度反射するようになっている。透過率、反射率ともに９８％以上のものが得られる。他には特殊なグレーティングを用いたようなものもある。
（７）偏光プリズム
１軸性結晶は、光学軸方向に垂直に振動する常光線と光学軸を含む主断面内に振動方向をもつ異常光線では異なった屈折率を持つので、１軸性結晶から切り出した２つのプリズムを組み合わせると、振動面の異なる光を分離することができる。ニコルプリズム、グラントムソンプリズム、グランフーコープリズム、グランテーラープリズム、ロションプリズム、ウォーラストンプリズムなどがある。
（８）回折格子
回折格子はピッチを小さくしていけば、ＴＥ波とＴＭ波の透過率が異なり、偏光子として機能する。偏光子とは呼ばないが、偏光子機能を有するので、本発明に偏光子として用いることが可能である。
【００４３】
図３は、透明磁性体上ないしその近傍に、更に偏光子と磁気コイルを設けて、この磁気コイルへの通電と停電によって光を透過または遮断する本発明の光学素子の構成例を示す。
【００４４】
磁気コイルは光の通過経路の周りにコイルを配線することが、磁界の均一性、磁界分布制御などから好ましい。コイルの外形形状は、円や矩形など適宜選択される。偏光子は曲面としてまた平面として用いることができ、使用枚数は透明磁性体の前後に２枚用いるか、入射光に直線偏光を用いる場合などは、１枚でも構わないが、スイッチング機能を得るためには、透明磁性体通過後に配置する必要がある。
【００４５】
磁気コイルの作製方法としては、導細線を直接パターン化して接着していく方法やインクジェット法を用いて印刷するように導細線を形成する方法、更にはメッキ法（特開２００３−１２４０４７号公報などに記載）を用いて形成する方法などが適宜用いられる。導細線の幅は目的によるが、５〜５０μｍで用いられる。
【００４６】
本発明では磁気コイルに通電するかまたは通電しないかによって、また通電方向を正方向か負方向かと変化させることによって、発生磁場の方向を制御し透明磁性体の磁化方向（磁化強度も含めて）を変化させることにより、偏光面の回転方向や角度を変化させる。この場合従来と異なり、偏光は透明磁性体の形状によって屈折し、方向を曲げられている。しかも偏光のスイッチングスピードは、電気回路などにも因るが、数マイクロ秒から数ナノ秒と高速度であり、シャッタースピードを向上させることができる。
その他に、既述のように、従来の機械式シャッターの課題であった開閉するシャッター羽根の接触による、開閉時間のバラツキや振動を無くすことができる。また機械式シャッター機能を小形化して設けることができる。
【００４７】
本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚変化に応じて、透明磁性体を磁化する機構が磁場勾配を有するものであることが好ましい（請求項３に記載の発明）。
透明磁性体を磁化する機構例えば磁気コイルは、１つの光軸に対して１つである必要は無く、磁場分布を制御するために複数用いられても構わない。特に一般的なレンズ形状では中心と周囲では透明磁性体の肉厚が異なり、レンズ中を通過する光路長が異なる為に、透過光のファラデー回転角も異なるので、コイル構成（例えばコイル中心側と外側の巻き数を変化させる。中心に近いほど巻き数を多くしたり、逆に少なくするような変化を加えて、発生磁界分布を中心側と外側とで変化させることができる。コイル中心側と外側のコイルを個別に設けて、通電量を変化させるような磁場強度分布変化付加方法もある）や、各種形状の高透磁率材料を追加したりして回転角が一定となるように発生磁界を補正する必要がある。凹凸形状を有する透明磁性体も複数形成することも構わない。
なお、透明磁性体が厚い部分に対しては印加磁界強度が弱くなり、薄い部分に対しては強くすることにより、ファラデー回転角を利用面内で均一化することは言うまでもない。
【００４８】
本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体の連続的肉厚増加に対応して、チタニアナノシート即ち、化学式：Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４ （ただし、Ｍ＝Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、０＜ｘ＜２）における遷移金属の置換量を低減させるものであることが好ましい（請求項４に記載の発明）。
補正の方法としては、このように印加する磁場分布を用いる方法と、透明磁性体の肉厚増加とは逆に、置換する遷移金属の量を低減させる方法もある。
元素置換方法に関しては、チタニアナノシートの製造方法において説明したように、出発化合物であるレピトクロサイト型チタン酸塩のＴｉ格子位置に、希望する遷移金属元素を置換した層状チタン酸化物Ｔｉ２−ＸＭＸＯ４を用いればよい。具体的な置換例として、ＦｅとＣｏを同一材料中で同時に置換したＴｉ１．５Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３Ｏ４の例を実施例１で説明する。
【００４９】
本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体を、透明支持体上に規則的な２次元配列として設けたものであってもよい（請求項５に記載の発明）。これの構成の１例を図４および図６に示す。
図６に示すように、透明支持体表面を加工した後、加工部位に透明磁性体を設けて（例えば透明磁性体の分散液を流し込んだ後で乾燥する）、支持体と磁性体を一体化して用いてもよい。透明支持体表面の加工は透明プラスチックを用いた所謂成型法によって形成し、透明磁性体の分散液を加工部位中に入れて乾燥させて作製することが実施可能である。図６に示した「光の通過方向」の矢印のように、上下どちらから光を入射させるかは適宜目的によって選択される。このような構成にすると、光通信分野やプロジェクターに置けるような画像形成分野において、画像を拡大や縮小したり、投影したり遮断したり、新たにレンズ機構を用いなくてもよいので、装置をコンパクトに作製できる。
【００５０】
本発明の光学素子は、この光学素子の入射光側に偏光変換素子を配置して用いるものであってもよい（請求項６に記載の発明）。
表面が少なくとも凹または凸形状を有する透明磁性体と、該透明磁性体を磁化する機構と、偏光子とが、この順に光路に沿って設けられただけの光学素子（請求項１）は直線偏光の偏光面を回転させる機能は有するが、円偏光を直線偏光とする偏光子機能は有していない。本発明の光学素子の入射光側に偏光変換素子を配置して用いるものは、電気的に光を高速度にスイッチングする電気式レンズシャッターとして有用である。
【００５１】
従来の偏光子をそのまま用いたのでは、光利用効率と偏光の分離という課題が残り、レンズとしての利用が出来ない。本発明（請求項６）では偏光子機能を有するものとして偏光変換素子を光学素子の前方に設けることを特徴とする。偏光子では最大でも５０％の光利用効率しか得られないが、この偏光変換素子を用いれば、７０％以上の光利用効率となり、カメラなどの光量が重要となるレンズなどにも適応性が向上することとなった。
【００５２】
ここで、偏光の分離について従来の偏光変換素子（図５）を用いて説明する。従来の偏光変換は図５に示すように、直交する２つの直線偏光Ｓ、Ｐは複屈折材料によって分離された後、一方の直線偏光が位相差板によって９０°回転されて同一偏光面を有する偏光となって出射されるが、出射位置が異なるために入射光の情報、例えば光の強度は分離されるという不具合があった。
【００５３】
本発明ではこの不具合を２枚の透明磁性層を張り合わせて作製された積層型偏光変換素子を用いることで解消し、これによって本発明の光学素子はより光学レンズとしての有用性が大幅に向上されている。
図７に、本発明において有用な積層型偏光変換素子の構成を示す。
積層型偏光変換素子３０は、偏光変換素子１２が上下にペアーで重ね合わされており、各素子の周期的密度の斜め繰り返し層構造は、角度が基板１１の主面に対して等角度でかつ逆方向であり、素子入射面で分離した２つの直線偏光（ＥｅとＥｏ）が、素子面出射時に偏光面角度差を９０°としたものである。
【００５４】
偏光変換素子１２を上下にペアーで重ね合わされることにより、１つの偏光変換素子１２だけを用いた場合と異なり、分離した偏光は直進した偏光と出射口で必ず重なるという特徴が現れる。これにより入射光が有した情報、例えばカラー画像の色情報や濃度情報、階調性情報などが分離することなく利用することができる。２層を合わせる各表面は光散乱が起こらないように、十分に留意する必要がある。例えば、鏡面状態での張り合わせや、連続製膜などが好ましい。また、偏光変換素子１０のペアーの数は複数でも良く、複数にすれば各積層の偏光変換素子１２の厚みを薄くすることができる。
【００５５】
また、積層型偏光変換素子３０において、偏光変換素子１２が上下にペアーで重ね合わされた界面は、光の散乱を減少させるために平面平滑性が重要である。この光散乱をできる限り無くす手段として、２つの偏光変換素子１２の界面に非磁性で透明な膜２１を設けることにより大幅に光散乱を無くして、光の利用効率を向上させ得ることができる。透明非磁性膜２１には、例えば下記無機物や有機物など適宜用いられる。
【００５６】
すなわち、無機物としては、透明でかつ熱的に安定な物質が適し、例えば金属や半金属の酸化物、窒化物、カルコゲン化物、フッ化物、炭化物、及びこれらの混合物であり、具体的にはＳｉＯ２、ＳｉＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＧｅＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｅＯ２、ＴｉＯ２、ＭｏＯ３、ＷＯ３、ＺｒＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＡｇＦ，ＰｂＦ２、ＭｎＦ２、ＮｉＦ２、ＳｉＣなどの単体あるいはこれらの混合物が挙げられる。
【００５７】
また、有機物としては、例えば油脂化合物、糖化合物、ペプチド化合物などの天然物、酵素、海洋天然物などの生体内物質、合成樹脂、エラストマー化合物などの高分子化合物、コロイド化合物、包接化合物などの機能性分子などが挙げられる。特に、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）は有用である。有機物からなる透明非磁性膜２１を数μｍの厚みで塗布する方法は、各々逆勾配を有するペアーの積層膜１２を接合するという目的も合わせて達成することができて好ましい。この透明磁性膜２１の屈折率は低い方が好ましい。また、厚みには特に制限はないが、薄い方が好ましく膜厚の均一性をもたせることは重要である。
【００５８】
この偏光変換素子を用いる本発明の全体の構成例を図８に示す。
【００５９】
本発明の光学素子は、凹または凸形状を有する透明磁性体を、透明支持体の陥没部位に設けて、一体化して用いるのが好ましい（請求項７に記載の発明）。
図６に示すように、透明支持体表面に凹凸形状を加工した後、加工部位に透明磁性体を設けて、支持体と磁性体を一体化して用いてもよい。この場合の光の透過方向は図６の上下どちらの方向に対しても利用可能である。
【００６０】
本発明の表示装置は、上記の光学素子と、光源と、透明磁性体を磁化する機構の駆動回路とを設けたものである（請求項８に記載の発明）。
この好ましい構成例としては、複数の光学素子を図４（ａ）に示したように配列した後、この素子の透明磁性体を個別に磁化する機構（例えば磁気コイル）の駆動回路（図９）を設けて、光源（白色光源が好ましいが複数のレーザー光源でも構わない。光軸が別である反射光を用いてもよい）からの各素子への光を個別に透過又は遮断して（半開でもよい）、投影用のスクリーンに光源からの光を拡大（縮小も可能）投影すれば、表示装置として利用することができる。このような構成では、従来のような大掛かりなレンズ系や、シャッターを別途設ける必要が無いので、コンパクトな構成が可能となって有用性が大いに高められる。ＲＧＢ用素子を組にして１画素用に設ければカラー画像は容易に得られるし、特にシャッター速度（開閉速度）が前記したように、電子スピンの反転を用いるので高速である点が大きな特徴となる。なおスクリーンは必須ではなく、適宜壁面などの白色部位を用いることができる。
【実施例】
【００６１】
以下に実施例をあげて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００６２】
〔実施例１〕
まず、以下のようにしてチタニアナノシートとポリマーからなる積層膜を形成した。
炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）をＫ０．８Ｔｉ１．５Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３Ｏ４のモル比になるように秤量、混合し、８００℃で４０時間焼成して磁性元素置換チタン酸カリウム（Ｋ０．８Ｔｉ１．５Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３Ｏ４）を合成した。合成した磁性元素置換チタン酸カリウムを粉末１ｇに対して１規定の塩酸溶液１００ｃｍ３の割合で接触させ、時々撹拌しながら室温で反応させた。１日毎に新しい塩酸溶液に取り替える操作を３回繰り返した後、固相を濾過水洗して風乾した。
得られた層状チタン酸粉末（Ｔｉ１．５Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３Ｏ４）０．５ｇをテトラブチルアンモニウム水酸化物溶液１００ｃｍ３に加えて室温で１週間振盪（１５０ｒｐｍ）し、乳白色のチタニアゾルを得た。
以下では、Ｈ０．８Ｔｉ１．５Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３Ｏ４・ｎＨ２ＯをＣｏＦｅ同時置換ナノシートと表す。この分散液に２０重量％の固形分濃度となるゼラチン溶解液を混合した。この液をＣｏＦｅ同時置換ナノシート分散液と表す。
図６に示すような半円型にくり抜いた石英ガラスの中に、まずシリコン系離型剤をコーティングした後に、上記分散液を入れ乾燥させる作業を、固体表面がほぼ図の表面Ａ点になるまで繰り返した。
半円形透明磁性体の中心における最大厚みは５ｍｍで、円の外形は３０ｍｍとした。半円形透明磁性体に対する光の通過方向は図中断面図に矢印で示したように上下である。石英ガラスと透明磁性体は分離することなく、そのまま用いた。透明磁性体側には透明なシリコーン樹脂からなる保護膜を５μｍの厚みに形成した。
次いでこの保護膜の上から、上記半円形透明磁性体の円周に沿って外形３０μｍのニクロム被覆銅線を３００回巻いてコイルを形成した。半円形透明磁性体の厚みとコイルによる磁束密度の積が、光通過面ですべて同一となるように計算で求めて作製した。偏光子を半円形透明磁性体の前および半円形透明磁性体裏側の平面に配置した。偏光子の偏光軸は同一方向に揃えて配置した。
図３の右側から左側に進む光は偏光子、透明磁性体（磁気コイル）を通過してスクリーンに上に到達した。
次いで磁気コイルに直流電流を０．１ミリ秒（１／１００００秒）、１００ｍＡ流して透明磁性体を磁化した後には、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ９０°回転させた結果半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
【００６３】
〔実施例２〕
立方晶系ガーネット構造を有するＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２単結晶を、波長１０６００ｎｍの炭酸ガスレーザーを用いたフローティング・ゾーン法を用いて作製した。次いでこの常磁性体単結晶を、直径３ｍｍの凹形状を有するレンズ状に研磨加工した。
次いで実施例１と同様にして、外形３０μｍのニクロム被覆銅線を５０回巻いてコイルを形成した。半円形透明磁性体の厚みとコイルによる磁束密度の積が、光通過面ですべて同一となるように計算で求めて作製した。偏光子を半円形透明磁性体の前および半円形透明磁性体裏側の平面に配置した。偏光子の偏光軸は同一方向に揃えて配置した。
図３の右側から左側に進む光は偏光子、透明磁性体（磁気コイル）を通過してスクリーンに上に到達した。
次いで磁気コイルに直流電流を０．１ミリ秒（１／１００００秒）、１００ｍＡ流して透明磁性体を磁化している時間のみ、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が、磁化した透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ９０°回転させた結果、半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
【００６４】
〔実施例３〕
実施例１と同様にして、酸化コバルト及び酸化鉄の混合量を変えて、組成の異なる次の５種類のＣｏＦｅ同時置換ナノシートを合成した。
１．Ｔｉ１．５０Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３０Ｏ４
２．Ｔｉ１．４８Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３２Ｏ４
３．Ｔｉ１．４６Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３４Ｏ４
４．Ｔｉ１．４４Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３６Ｏ４
５．Ｔｉ１．４２Ｆｅ０．２Ｃｏ０．３８Ｏ４
各ナノシートを単独で測定したファラデー回転角は、１から５へと順次大きくなっていた。
次いで図６に示すような半円型にくり抜いた実施例１と同じ石英ガラスの中に、離型剤をコーティングした後に、上記分散液を入れ順次入れて乾燥させる作業を、固体表面がほぼ図の表面Ａ点になるまで繰り返した。この場合作製される円形レンズは中心軸から遠ざかるにつれて、厚みが減少している。
従って、ファラデー回転角は光の通過距離に比例するので、外側ほどファラデー回転角の大きな材料となるように、上記ナノシート分散液の乾燥順は１から順次５へと変えて行なった。作製した光学素子のファラデー回転角分布は、最大で３％以内であった。
次いで実施例１と同様にして光学素子を形成し、磁気コイルに直流電流を０．１ミリ秒（１／１００００秒）、１００ｍＡ流して透明磁性体を磁化した後には、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ９０°回転させた結果半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
【００６５】
〔実施例４〕
実施例１で作製した光学素子を、全く同様の方法で図４に示すように、支持体上に規則的に２次元配置して光学素子を形成した。半円形透明磁性体の中心における最大厚みは０．５ｍｍで、円の外形は３ｍｍとした。素子の配列周期は縦・横方向ともに４ｍｍとし、縦・横共に１００個づつ配列した。各素子には図３に示すような磁気コイルを設け、各磁気コイルには個別にコンデンサーを設けて、電気的駆動回路と接続した。駆動回路は、縦及び横に配線した回路から適宜画像が形成できるように選択して、通電し各光学素子を個別に駆動して、文字画像をスクリーン上に形成した。
【００６６】
〔実施例５〕
実施例１で作製したＣｏＦｅ同時置換チタニアナノシートを用いて、以下の順で偏光変換素子を作製した。
表面研磨した後離型剤を塗布した石英ガラス板端部を合わせ、コの字型の容器を作製した。この容器中に上記混合分散液を少量流し込んだ。６テスラの磁場をナノシート面に平行となるように印加し、ゆっくりと乾燥させた後磁場から取り出して１００℃で加熱した。更にこの上に上記と同様の方法を繰り返して、ナノシートの積層を膜厚が５２μｍになるまで行った。この後支持体となる石英ガラス以外の石英ガラス板を剥がして、積層ナノシートを容器から取り出した。積層ナノシートは透明であり、ナノシート面に垂直に波長４５０ｎｍの光を入射させるとファラデー回転角は１７°／μｍであった。磁場を印加した場合にはＸ線回折図における最大強度を示す一次ピーク（ナノシートの積層周期に対応している。回折角は４．７°）の強度は、磁場を印加していない場合に比較して約１０倍であり、配列性が向上していた。ファラデー回転角も約３倍に向上していた。
この積層ナノシートに、石英ガラス支持体に対して垂直になるように波長４５０ｎｍの光を入射させた。分離された偏光は直線偏光で、偏光面は相互に直角であった。分離角は２５°であった。ついで１ｋガウスの磁界を印加できる電磁石を用いて、この積層ナノシートの磁化を膜面に垂直に行なった。上記と同様にして波長４５０ｎｍの光を入射させた。ナノシートの配列面に垂直に偏向した直線偏向のみが出射した。
上記と全く同様にして、２６μｍ厚の積層ナノシートを作製した。この積層ナノシートと上記で作製した積層ナノシートとを、周期的密度の斜め繰り返し層の傾きが逆になるように配置した後、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を用いて、乾燥前に張り合わせた（図７）。
石英ガラス支持体に対して垂直になるように波長４５０ｎｍの光を入射させた。分離された偏光は直線偏光で偏光面は直角であった。
上記と同様にして積層ナノシートの磁化を行った。上記と同様に石英ガラス支持体に対して垂直になるように波長４５０ｎｍの光を入射させた。分離された偏光は直線偏光で偏光面は平行であり、偏光変換されていた。
次いで実施例１で作製した光学素子の前に、光軸を揃えて上記偏光変換膜を配置した。実施例１と同様にして、磁気コイルに直流電流を０．１ミリ秒（１／１００００）、１００ｍＡ流して透明磁性体を磁化した後には、スクリーン上の光は全く見えなかった。これは前置した偏光子によって直線偏光となった光が透明磁性体中を透過して偏光面をほぼ９０°回転させた結果半円形透明磁性体裏側の偏光子を通過することができなくなった結果である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】チタニアナノシートとポリマー層との積層膜の構成を示す概略図である。
【図２】チタニアナノシートの吸光度を示す図である。
【図３】本発明の光学素子を示す図である。
【図４】透明磁性体が透明支持体上に規則的な２次元配列されているもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。
【図５】従来の偏光変換素子を説明するための図である。
【図６】透明支持体表面の加工部位に透明磁性体を設けたもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。
【図７】本発明の実施に有用な偏光変換素子を説明するための図である。
【図８】偏光変換素子を用いる本発明の光学素子の図である。
【図９】光学素子の透明磁性体を個別に磁化する駆動回路を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１１  基板
１２  偏光変換素子
３０  積層型偏光変換素子
２１  透明非磁性膜
【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１】
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