図面 (/)

技術 光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器

出願人 キヤノン株式会社
発明者 稲生耕久黒田亮山田朋宏荻野昌也
出願日 2005年4月28日 (15年2ヶ月経過) 出願番号 2005-133282
公開日 2006年11月9日 (13年7ヶ月経過) 公開番号 2006-308981
状態 特許登録済
技術分野 エレクロ、電気泳動、可変反射吸収素子 機械的光制御・光スイッチ 機械的光制御・光スイッチ
主要キーワード 支持誘電体 最低次数 長方形開口 ブロード光 増大率 表面プラズモンモード 支持部材側 近接場光学顕微鏡用
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年11月9日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

金属薄板周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供する。

解決手段

光を変調する光変調器において、周期的に配列された微小開口を有する金属薄膜101と、該金属薄膜に対向して配置された誘電体102、103と、前記金属薄膜と前記誘電体とを対向方向に相対移動させる移動手段と、を有し、該移動手段による前記金属薄膜と前記誘電体との対向方向への相対移動によって、前記金属薄膜を透過する光の透過率波長依存性を制御するように構成する。

概要

背景

従来において、金属薄膜光波長程度のサイズの微小開口及び表面形状(突起や窪みなど)を周期的に配列させることで、その金属薄膜に光を照射したとき、金属薄膜を透過する特定の波長の光強度が増大することが知られている。
さらに、この透過光強度の増大の原因が、金属薄膜表面入射する光と金属薄膜に励起される表面プラズモンモード共鳴的に相互作用することに起因するということについても、明らかとされている。
また、金属薄膜の一方の表面に屈折率可変の材料を用い、その屈折率を変化させることで特定波長の透過光強度を増大させたり、特定波長の透過光強度の増大を抑える、という動作によって透過する光の強度変調を行う光変調器について報告がされている。

特許文献1では、以上のような金属薄膜を複数並べて、独立に屈折率可変材料を制御することで表示装置に応用することが提案されている。
また、以上ような金属薄膜の表面を異なる屈折率の媒体で挟んだ場合に比べ、ほぼ屈折率が等しい媒体で挟んだ場合の方がある特定波長の光の透過光強度の増大率が大きいことも報告されている。さらに、特許文献2では、このような現象を用いて近接場光学顕微鏡用プローブ露光用マスク集光装置、等を構成することが提案されている。
米国特許第6,040,936号明細書
特開2001−133618号公報

概要

金属薄板に周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供する。光を変調する光変調器において、周期的に配列された微小開口を有する金属薄膜101と、該金属薄膜に対向して配置された誘電体102、103と、前記金属薄膜と前記誘電体とを対向方向に相対移動させる移動手段と、を有し、該移動手段による前記金属薄膜と前記誘電体との対向方向への相対移動によって、前記金属薄膜を透過する光の透過率波長依存性を制御するように構成する。

目的

本発明は、上記課題に鑑み、金属薄板に周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

光を変調する光変調器であって、周期的に配列された微小開口を有する金属薄膜と、該金属薄膜に対向して配置された誘電体と、前記金属薄膜と前記誘電体とを対向方向に相対移動させる移動手段と、を有し、該移動手段による前記金属薄膜と前記誘電体との対向方向への相対移動によって、前記金属薄膜を透過する光の透過率波長依存性を制御することを特徴とする光変調器。

請求項2

前記金属薄膜に対向して配置された誘電体は、前記金属薄膜の表面に対向して配置された第1の誘電体と、前記金属薄膜の裏面に対向して配置された第2の誘電体とによって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。

請求項3

前記金属薄膜と前記第1の誘電体及び前記第2の誘電体との間には、空気等の流動可能に媒体充填され、該媒体の誘電率をεair、前記第1の誘電体の誘電率をε1、前記第2の誘電体の誘電率をε2とするとき、これらの誘電率が次式の関係を満たすことを特徴とする請求項2に記載の光変調器。εair<ε1<ε2

請求項4

前記金属薄膜は、前記金属薄膜に対向して配置された誘電体の誘電率に等しい誘電率を有する金属薄膜支持誘電体上に成膜され、前記移動手段による該金属薄膜と該金属薄膜に対向して配置された誘電体との対向方向への相対移動によって、該金属薄膜を透過する光の波長及び強度を変化させることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。

請求項5

前記移動手段が、静電力による駆動手段であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光変調器。

請求項6

前記移動手段が、圧力による駆動手段であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光変調器。

請求項7

請求項1〜6のいずれか1項に記載の光変調器を複数備え、これらの光変調器を二次元的に配列して構成したことを特徴とする空間光変調器

請求項8

前記空間光変調器は、前記二次元的に配列された各光変調器が独立して駆動できるように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の空間光変調器。

技術分野

0001

本発明は、光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器に関し、特に金属薄板を透過する光の波長を制御できるようにした光変調器、及び該光変調器を備えた空間光変調器に関する。

背景技術

0002

従来において、金属薄膜光波長程度のサイズの微小開口及び表面形状(突起や窪みなど)を周期的に配列させることで、その金属薄膜に光を照射したとき、金属薄膜を透過する特定の波長の光強度が増大することが知られている。
さらに、この透過光強度の増大の原因が、金属薄膜表面入射する光と金属薄膜に励起される表面プラズモンモード共鳴的に相互作用することに起因するということについても、明らかとされている。
また、金属薄膜の一方の表面に屈折率可変の材料を用い、その屈折率を変化させることで特定波長の透過光強度を増大させたり、特定波長の透過光強度の増大を抑える、という動作によって透過する光の強度変調を行う光変調器について報告がされている。

0003

特許文献1では、以上のような金属薄膜を複数並べて、独立に屈折率可変材料を制御することで表示装置に応用することが提案されている。
また、以上ような金属薄膜の表面を異なる屈折率の媒体で挟んだ場合に比べ、ほぼ屈折率が等しい媒体で挟んだ場合の方がある特定波長の光の透過光強度の増大率が大きいことも報告されている。さらに、特許文献2では、このような現象を用いて近接場光学顕微鏡用プローブ露光用マスク集光装置、等を構成することが提案されている。
米国特許第6,040,936号明細書
特開2001−133618号公報

発明が解決しようとする課題

0004

ところで、上記従来技術のものにおいては、周期的に配列した微小開口等による周期構造を有する金属薄膜表面に、屈折率可変の材料を配置して屈折率を変化させることにより、金属薄膜を透過する光の強度を変調することに主眼が置かれ、透過波長の制御を行うことについて十分に考慮されたものではない。すなわち、上記従来技術のものでは、金属薄膜を透過する光の波長は金属薄膜表面に形成された周期構造に応じた特定波長しか得ることができないものであり、仮に、このような従来技術のもので所望の透過波長を得ようとすれば、例えば周期的に配列した微小開口の周期配列を変えること等により、上記の金属薄膜表面に形成された周期構造を所望の透過波長に合わせて変化させることが必要となる。
しかしながら、所望の透過波長に合わせてこのように金属薄膜表面に形成された周期構造を変化させるには、各透過波長に応じて金属薄膜表面に周期的に配列した微小開口の周期配列等について、設計から作製までを最初から行うことが必要となり、工程数の増加やコストの増大を招くことになる。

0005

本発明は、上記課題に鑑み、金属薄板に周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を提供するものである。
すなわち、本発明の光変調器は、周期的に配列された微小開口を有する金属薄膜と、該金属薄膜に対向して配置された誘電体と、前記金属薄膜と前記誘電体とを対向方向に相対移動させる移動手段と、を有し、該移動手段による前記金属薄膜と前記誘電体との対向方向への相対移動によって、前記金属薄膜を透過する光の透過率波長依存性を制御することを特徴としている。

発明の効果

0007

本発明によれば、金属薄板に周期的に配列した微小開口による周期構造を変えることなく、金属薄板を透過する光の強度の変調だけでなく、光の波長についても制御可能とした光変調器、該光変調器を備えた空間光変調器を実現することができる。

発明を実施するための最良の形態

0008

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。

0009

[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用して光変調器を構成した。
図1に本実施例の光変調器の構成を説明する概略図を示す。図1(a)は光変調器における第1誘電体、金属薄膜、第2誘電体による3層構成の分解斜視図、図1(b)は光変調器の断面構成を示す図である。
また、図2本実施例における光変調器に光源が配置された構成を示す。
図1において、100は光変調器、101は金属薄膜、102は第1の誘電体、103は第2の誘電体、104は支持部材である。

0010

光変調器100は、金属薄膜101と、金属薄膜101の一方の面に対向して配置された第1の誘電体102と、金属薄膜101のもう一方の面に対向して配置された第2の誘電体103と、支持部材104によって構成されている。
この光変調器100は、図1(a)に示されるように第1の誘電体、金属薄膜、第2の誘電体の3層によって構成されている。また、図1(b)に示されているように、支持部材104によって第1の誘電体及び第2の誘電体と金属薄膜との間に空隙を設けている。
また、金属薄膜101には、透過する光の波長程度の周期Pで周期的に透過する光の波長以下の微小開口として直径dの孔が配列されている。このときの周期的な配列とは、周期Pでの正方格子状に配列していてもよいし、三角格子状に配列されていてもよく、配列の仕方は限定されない。この金属薄膜101と第1及び第2の誘電体との間の空隙には、例えば空気のようにある誘電率(このときの空気の誘電率:εair)を有する媒体が充填されている。

0011

つぎに、本実施例の光変調器の動作について説明する。
図2に示すように光変調器100に光源201から波長がブロードに広がっている照明光202を導入すると、金属薄膜101に形成された孔の直径、配列の周期、金属薄膜が有する誘電率及び、金属薄膜周囲の誘電率に応じた表面プラズモンモードが励起される。その表面プラズモンモードに対応した照明光202に含まれるある特定の波長の光(λ1)が相互作用し、金属薄膜を透過する光(λ1)の強度が増大される。
このとき、強度が増大された光(λ1)の透過率は、その他の波長の光の透過率を比較すると非常に差が大きくなる。このときの状態を「状態(1)」とし、透過率を図3に、光変調器における金属薄膜101と第1の誘電体102及び第2の誘電体103の位置関係図4(a)に示す。

0012

次に、図示しない相対移動手段を用いて金属薄膜101を移動し、金属薄膜101を第1の誘電体102に実質的に全体を密着させる(図4(b)参照)。このとき、第1の誘電体の誘電率ε1は、空気よりも大きい。金属薄膜101の周囲の誘電率が変化するため、金属表面に励起される表面プラズモンモードが変化し、そのプラズモンモードに応じた光(λ2)の透過率が増大し、λ2の波長の光が特異的に、金属薄膜101を透過する。このときの状態を「状態(2)」とし、透過率を図3に、金属薄膜101と第1の誘電体102の密着状態図4(b)に示す。

0013

さらに、状態(2)で密着した金属薄膜101を第1の誘電体102から図示しない相対移動手段を用いて剥離し、金属薄膜101を第2の誘電体103に実質的に全体を密着させる(図4(c)参照)。このとき、第2の誘電体の誘電率ε2は、第1の誘電体の誘電率ε1と比較し更に大きいとする。状態(2)からさらに、金属薄膜101の周囲の誘電率が変化しているため、金属表面に励起される表面プラズモンモードが変化し、そのプラズモンモードに応じた光(λ3)の透過率が増大し、λ2の波長の光が特異的に金属薄膜101を透過する。このときの状態を「状態(3)」とし、透過率を図3に、金属薄膜101と第2の誘電体103の密着状態を図4(c)に示す。

0014

これらの現象は定性的には、次式により理解できる(特許文献1から引用)。

0015

このときのλmaxとは、透過光強度が最大となる波長、Pは金属薄膜に形成した孔の配列の周期、εmは金属薄膜の誘電率、εdは金属薄膜周囲の誘電体の誘電率である。状態(1)の場合、εdは空気の誘電率となりほぼ1であると考えられる。
また、iとjについては回折次数である。金属薄膜101の周囲の屈折率が1から1.4に変化すると、周期P=400nm,金属薄膜誘電率εm=−10.545+0.835iとし、透過光最低次数として(i,j)=(0,1)とすると上記の式から、透過率が最大となる波長はおおよそ440nmから690nmまで長波長側にシフトする。実際には、上記式では定性的な現象を表すことはできるが、定量的に議論するためには、様々な補正項を用いる必要がある。
そこで、補正を加味して数値計算を行った一例を示す。金属薄膜として石英基板上に成膜した金(Au)を用い、微小開口として50nm×300nmの長方形開口とした場合、金属薄膜を透過する透過率が図7グラフに示すようになった。

0016

図7は、Au上に屈折率1、1.33、1.375の材料が存在する場合の3種類のスペクトルが示された図である。この図からわかるように、金属薄膜の一方の面の屈折率が1から1.33と大きくなると、透過率が最大になるピーク波長は1040nmから1260nmへと、長波長側にシフトする。
この計算に用いた構成の場合、660nm/indexという値で透過率が大きいピークが長波長側にシフトした。上述した式は金属と誘電体の界面に励起される表面プラズモン波長から考えられる式であるため、金属薄膜を透過する光の波長は、金属薄膜の一方の表面とそれに面する誘電体に関する上式の関係と、金属薄膜のもう一方の表面とそれに面する誘電体に関する上式の関係との積のような関係で決まると考えられる。しかし、金属薄膜の一方の表面に面する誘電体の誘電率を大きくするだけでも、透過する波長が長波長にシフトすることが計算結果から明らかとなった。

0017

前述した本実施例の光変調器では、状態が3通りあり、各々の状態では金属薄膜の周囲に空気(状態(1))、第1の誘電体と空気(状態(2))、第2の誘電体と空気(状態(3))が存在しており、これら3つの誘電体の誘電率は、εair<ε1<ε2の関係とした。透過率が増大される波長の関係は、λ1<λ2<λ3となり、誘電率が大きい誘電体が金属薄膜周囲にある場合の方が、透過光強度が増大される波長が長波長側へシフトする。

0018

以上のように構成することで、透過光の波長を3種類に分割することが可能な光変調器を実現することができる。
さらに、この光変調器を2次元的に配列し、各光変調器を駆動することで空間光変調器を実現することができる。その際、これらの光変調器を独立して駆動する構成を採ることができる。
また、本実施例で説明した、第1の誘電体と第2の誘電体で挟まれた空気で充填された箇所が、空気である必要はなく、状態(1)において透過させたい波長に応じて材料を選択することが可能であり、真空、水、アルコールなど様々な流動可能な材料を充填してもよく、本発明においては空気に限定されるものではない。また、第1及び第2の誘電体としてどのような誘電体を選択してもよい。

0019

また、本実施例では、光源201から波長がブロード光の照明光202を照射しているが、状態(1)、(2)、(3)において透過率が高いλ1,λ2,λ3の波長の単色光を3種類同時に照明していてもよく、光源201から照射する照明光202の波長はブロード光等に限定されるものではない。
また、本実施例では図示していない金属薄膜駆動装置としては、図8に示すように金属薄膜101と第1の誘電体102及び第2の誘電体103の間に電圧印加する電圧印加手段801で生じる静電力によって駆動する装置であってもよいし、図9に示すように誘電体と金属薄膜に挟まれた空間の圧力を変化させる圧力制御手段901を用いて圧力によって金属薄膜を撓ませてもよく、本発明においては金属薄膜101を駆動し第1の誘電体102及び第2の誘電体103に実質的に全体を密着させるための駆動方法であればよく、例に挙げた駆動方法に限定されるものではない。

0020

[実施例2]
実施例2においては、本発明を適用して実施例1とは別の形態の光変調器を構成した。
図5に本実施例の光変調器の構成を説明する概略図を示す。図5において、301は金属薄膜、302は金属薄膜支持誘電体、303は誘電体、304は支持部材、305は光源である。

0021

光変調器300は、金属薄膜301が金属薄膜支持誘電体302上に成膜され、金属薄膜301と対向して誘電体303が配置し、支持部材304によって金属薄膜301と金属薄膜支持誘電体302が支持されている。
金属薄膜301と誘電体303との間には、例えば空気(εair≒1)が充填されているとする。このときの誘電体303と金属薄膜支持誘電体302の誘電率を、εa、εbとする。
さらに、図示しない金属薄膜駆動装置によって金属薄膜301及び支持部材304を駆動し、金属薄膜301を誘電体303に実質的に全面に密着する構成となっている。
この金属薄膜駆動装置としては、実施例1にも示したが、静電力による駆動や、圧力制御による駆動など様々な駆動方式が挙げられるが、本発明はこのような駆動方式に限定されるものではない。

0022

この金属薄膜301には、実施例1と同様に、透過する光の波長程度の周期Pで周期的に透過する光の波長以下の微小開口として直径dの孔が配列されており、その周期的な配列のされ方は、正方格子状や三角格子状などが挙げられるが、本発明はこのような格子の種類に限定されるものではない。
金属薄膜301/金属薄膜支持誘電体302の金属薄膜支持部材側から波長がブロードな光を照射すると、金属薄膜301の誘電率と金属薄膜支持誘電体302の誘電率と微小開口の周期Pとに対応した波長の光(λa)が特異的に金属薄膜を透過する。この状態を「状態A」とする。

0023

次に、図6のように図示しない金属薄膜駆動装置を用いて金属薄膜301/金属薄膜支持誘電体302を駆動し金属薄膜301表面を誘電体303に実質的に全面を密着させる。このことにより金属薄膜301表面の誘電率が、εairからεaへ変化するため、金属薄膜301を透過する光の波長が変化する。または、特許文献2にあるように、εa=εbとすることで、特定波長の透過光強度がさらに増大する。この状態を「状態B」とする。
さらに、金属薄膜駆動装置を用いて誘電体303から金属薄膜301/金属薄膜支持誘電体302を剥離して「状態A」に戻すことで、金属薄膜301を透過する光の波長及び強度も、「状態A」に戻すことができる。

0024

このように、金属薄膜301を駆動し、金属薄膜301と誘電体303との密着及び剥離の制御を行うことで、光変調器300を透過する光の波長及び強度を変化させることができる。さらに、本光変調器を2次元的に配列し、各光変調器を駆動することで空間光変調器が実現できる。

図面の簡単な説明

0025

本発明の実施例1における光変調器の構成を説明する概略図であり、(a)は光変調器における第1誘電体、金属薄膜、第2誘電体による3層構成の分解斜視図、(b)は光変調器の断面構成を示す図。
本発明の実施例1における光変調器と光源の構成を示す概略図。
本発明の実施例1における光変調器によって変調された透過光のスペクトルの模式図。
本発明の実施例1における光変調器の動作時の状態の説明図。
本発明の実施例2における光変調器の構成の概略図。
本発明の実施例2における光変調器の動作時の説明図。
本発明の原理について説明する計算結果を示す図。
本発明の実施例における光変調器の動作手段に用いられる静電力による構成例を示す図。
本発明の実施例における光変調器の動作手段に用いられる圧力制御による構成例を示す図。

符号の説明

0026

100:光変調器
101:金属薄膜
102:第1の誘電体
103:第2の誘電体
104:支持部材
201:光源
202:照明光

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • キヤノン株式会社の「 撮像装置」が 公開されました。( 2020/04/09)

    【課題】低温環境で低下したエレクトロクロミック素子の応答性能を向上するには、先ず素子を加熱することが考えられる。しかしながら、従来の通電による加熱では、素子の駆動回路および加熱回路構成が複雑になること... 詳細

  • 株式会社デンソーの「 虚像表示装置」が 公開されました。( 2020/04/09)

    【課題】虚像表示に適した虚像表示装置を提供する。【解決手段】虚像表示装置としてのHUD装置は、投影部へ画像の表示光を投影することにより、画像を視認可能に虚像表示する。HUD装置は、表示光を発光する表示... 詳細

  • キヤノン株式会社の「 調光装置とその駆動方法、窓材、光学フィルタ」が 公開されました。( 2020/04/09)

    【課題】有機EC素子を用いた調光装置において、有機EC素子のセグリゲーションを抑制し、安定な着消色特性を得る。【解決手段】有機EC素子を備えた調光装置において、有機EC素子を第一の調光手段1として備え... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ