DE69214849T2

DE69214849T2 - Optische Vorrichtung und Gerät, welches diese benutzt

Info

Publication number: DE69214849T2
Application number: DE69214849T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Fujinami; Mitsuo Hiramatsu; Isuke Hirano
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1991-01-16
Filing date: 1992-01-16
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2012-01-17
Also published as: EP0496278A2; EP0496278A3; DE69214849D1; US5311350A; EP0496278B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und ein Gerät, das die optische Vorrichtung verwendet, deren Brechungsindex durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes verändert wird.
Als Verfahren nach dem Stand der Technik zum Verändern eines Brechungsindexes durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes gibt es ein Verfahren, das einen nichtlinearen optischen Effekt verwendet (siehe W. Primak et al., J. Elektrochem Soc., 124(II), 1816-8(1977)). Bei anderen Verfahren nach dem Stand der Technik werden Ionen vom Glas entfernt, indem man es hohen Temperaturen und hohem Druck aussetzt, um Brechungsindizes von Gläsern als Eigenschaft niedrig zu machen, indem man eine Ionenabreicherung im Glas herbeiführt (siehe D.E. Carlson et al., J. Amer. Ceram Soc., 57(7), 295-300 (1974) und D.E. Carlson et al., Am. Ceram Soc. Bull., 52(9), 705(1973)); werden Dotierungsmittel unter Verwendung eines Verfahrens einer elektrisch induzierten Migration zu Glassubstraten hinzugefügt (siehe Chiba et al. a Journal of electronic communication society, 85/7 Bd. J68-C, Nr. 7); und werden optische Gläser mit Gradienten der Brechungsindizes durch Ionenaustausch hergestellt (siehe A. Feltz et al., DD0235864, WPI Acc, Nr. 86-245898/38)).
Aber das Verfahren, das einen nichtlinearen optischen Effekt verwendet, hat die Probleme, daß hohe Spannungen von einigen kVs angelegt werden müssen, die resultierenden elektrischen Felder hoher Intensität im Glas nachteilig auftreten, und daß weiterhin keine großen Brechungsindexveränderungen erhalten werden können. Andererseits ist es möglich, den Brechungsindex als eine Eigenschaft durch das Verfahren eines Anreicherns oder Abreicherns von Ionen zu verändern. Aber diese Brechungsindexveränderung ist irreversibel und der Brechungsindex kann nicht reversibel gesteuert werden.
Japanese Journal of Applied Physics, Teil 2, Bd. 22, Nr. 3, März 1983, Seiten 157, 158 von K. Yoshino et al zeigt ein Ändern der Absorptionsspektren in ein Elektrolyt aus LiBF&sub4; eingetauchter leitender Polymere durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden, wobei das Polymer die Anode überzieht.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine optische Vorrichtung zu schaffen, deren Brechungsindex reversibel gesteuert werden kann und die bei niedrigen Spannungen betrieben werden kann.
Die Anmelder entdeckten, daß sich der Brechungsindex des Materials, das mobile Ionen enthält, d.h. eines Ionenleiter, gemäß dem daran angelegten elektrischen Feld reversibel ändert, und sie dachten darüber nach, die entdeckten Eigenschaften des Materials in verschiedenen optischen Vorrichtungen einzusetzen, und sie gelangten schließlich zur vorliegenden Erfindung. Das bedeutet, daß es kein Dokument gibt, auf das Bezug genommen werden kann, welches die entdeckten Eigenschaften des Materials, das mobile Ionen enthält, und die Verwendung der Eigenschaften vor der vorliegenden Erfindung zeigt.
Weiterhin bedeutet bei der Anmeldung der Ausdruck "Ionenleiter" das Material, das mobile Ionen enthält, die sich gemäß dem daran angelegten elektrischen Feld reversibel bewegen, wie beispielsweise das Material, das in der Druckschrift mit dem Titel "Ionic conductivities induced by quaternary ammonium iodide and organic compounds" von CHEMISTRY LETTERS, S. 127-128, 1990 OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN, das von Dr. Tatsuo Fujinami, einem der Anmelder, beschrieben wurde, gezeigt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine optische Vorrichtung geschaffen, wie sie im Anspruch 1 gezeigt ist.
Andere Aspekte der Erfindung sind in den Ansprüchen 12 und 17 gezeigt.
Die vorliegende Erfindung wird aus der hierin nachfolgend angegebenen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden, welche nur anhand einer beispielhaften Darstellung angegeben sind und somit nicht als Beschränkung für die vorliegende Erfindung anzusehen sind.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der hierin nachfolgend angegebenen Beschreibung klar. Jedoch sollte verstanden werden, daß die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, nur anhand einer beispielhaften Darstellung angegeben sind, da Fachleuten auf dem technischen Gebiet verschiedene Änderungen und Abänderungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung aus dieser detaillierten Beschreibung klar werden.
Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen, wobei:
Fig. 1 eine Ansicht der Grundstruktur der optischen Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist;
Fig. 2 eine Ansicht einer Experimentalvorrichtung zum Messen der Vielfalt eines Reflexionsverhältnisses einer optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine erklärende Ansicht des Experimentalergebnisses ist, das durch Verwenden der in Fig. 2 gezeigten Experimentalvorrichtung erhalten wird;
Fig. 4 eine erklärende Ansicht eines weiteren Experimentalergebnisses ist, das durch Verwenden der in Fig. 2 gezeigten Experimentalvorrichtung erhalten wird;
Fig. 5 eine erklärende Ansicht eines weiteren Experimentalergebnisses ist, das durch Verwenden der in Fig. 2 gezeigten Experimentalvorrichtung erhalten wird;
Fig.6 eine strukturelle Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 7A und 7B jeweils strukturelle Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 8 eine strukturelle Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 9 eine strukturelle Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 10 eine strukturelle Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 11A und 11B jeweils strukturelle Ansichten eines sechsten Ausführungsbeispiels der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 12 eine Ansicht einer weiteren Grundstruktur der optischen Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist;
Fig. 13 eine erklärende Ansicht eines spezifischen Experiments ist, das von den Erfindern durch Verwenden einer optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht wurde;
Fig. 14 eine erklärende Ansicht des Experimentalegebnisses bei der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 15 eine Ansicht eines Beispiels der Anwendung der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung als Antireflexionsfilm oder Reflexionsverstärkungsfilm ist;
Fig. 16 eine erklärende Ansicht eines Informationsaufzeichnungsgeräts ist, bei dem die optische Vorrichtung gemäß dieser Erfindung verwendet wird; und
Fig. 17 eine erklärende Ansicht einer Leseoperation des in Fig. 16 gezeigten Informationsaufzeichnungsgeräts ist.
Nun wird ein Ausführungsbeispiel gemäß dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die hierin beigefügten Zeichnungen erklärt.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht der optischen Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung für die Erklärung ihrer Grundstruktur. Ein optisches Element (Ionenleiter) 1 in der Form eines Films ist aus einem hochmolekularen Material gebildet, das mobile Ionen enthält. Ein Paar von Elektroden 21, 22 ist bei Filmen jeweils auf der oberen Seite und der unteren Seite des Ionenleiters 1 ausgebildet. Die Elektroden 21, 22 sind zwischen einem Paar von Glasschichten 31, 32 gelagert. Der Ionenleiter 1, die Elektroden 21, 22 und die Glasschichten 31, 32 bilden eine einzelne optische Vorrichtung. Ein Schalter S wird derart betrieben, daß eine Potentialdifferenz E mit inverser Polarität an die Elektroden 21, 22 angelegt wird.
Bei der oben beschriebenen optischen Vorrichtung übertragen dann, wenn zwischen den Elektroden 21, 22 eine Potentialdifferenz E mit eingestellter Polarität angelegt wird, im Ionenleiter 1 enthaltene Ionen im makromolekularen Material, und es tritt eine äquivalente Polarisierung auf. Ein Brechungsindex des Ionenleiters 1 steigt bei einer seiner Schnittstellen zu den Elektroden 21, 22 an und fällt bei der anderen Schnittstelle ab. Folglich können bei diesen Schnittstellen Zustände des optischen Reflexionsverhältnisses, der optischen Transmittanz und der Totalreflexion geändert werden, und eine resultierende optische Modulation kann durchgeführt werden. Da der Brechungsindex durch ein angelegtes elektrisches Feld reversibel gesteuert werden kann, kann eine resultierende reversible optische Modulation realisiert werden.
Als nächstes werden die Verfahren zum Herstellen der oben beschriebenen optischen Vorrichtung erklärt. Ein erstes Herstellungsverfahren ist eine Polymerisation in einer Photozelle. Insbesondere werden 2,0 g von Ethyl- Methacrylsäureester, 2,8 mmol von Tetrabutylammonium-Bromid, 5,6 mmol von Tributylstannan-Bromid und 5 mg von 2,2'- Azobisisobutyronitril als Polymerisationsinitiator in einer Photozelle mit transparenten Gegenelektroden aus verdampftem ITO (Indiumzinnoxid) geladen, um bei 65ºC für 10 Stunden zu reagieren, und werden dann langsam auf Zimmertemperatur abgekühlt. So ist die oben beschriebene optische Vorrichtung vorbereitet.
Ein zweites Herstellungsverfahren ist ein Gießverfahren Insbesondere werden 2,0 g von Poly(vinylchlorid), 2,8 mmol von Tetrabutylammonium-Iodid, eine Misch-(4:1)-Lösung von Tetrahydrofuran-Methonol, das 5,6 mmol von Tetrabutylstannan- Iodid enthält, angewendet, um ein Glassubstrat mit transparenten Elektroden aus verdampftem ITO durch eine Schleuder zu überziehen. Dann wird ein weiteres Glassubstrat mit einer transparenten Elektrode aus verdampftem ITO leicht auf den Überzugs-Film gedrückt, um den umgebenden Film mit der transparenten Elektrode aus ITO an beiden Seiten zu umgeben, und so ist eine optische Vorrichtung vorbereitet.
Die Zusammensetzung des Ionenleiters kann aus verschiedenen Kombinationen sein. Als Polymere können beispielsweise Poly(methyl-Methacrylsäureester), Poly(butyl- Metacrylsäureester) und Poly(acrylonitril) verwendet werden. Als quaternäres Ammoniumsalz kann Tetrabutylammoniumchlorid oder Tetrabutylphosphoniumbromid verwendet werden. Es genügt, daß ein organometallischer Komplex, der eine wichtige Rolle bei der Ionenleitung spielt, eine Lewis- bzw. Chlorvinyl- Dichlorasin-Säure aufweist. Beispielsweise können Di- Iododioctylstannan, Di-Iododibutylstannan, Tri- Iodobutylstannan, Tetrabutylstannan, Iodotributylstannan, Di- Iododimethylstannan, Di-Iododiphenylstannan, Bis(organotin)- Verbindungstributylborat, Tripropylborat, Triethylborat und Octyldimethylfluorosilan verwendet werden. Aber für eine hohe Ionenleitung und Ansprecheigenschaft für eine schnelle Brechungsindexänderung sind Tributylstannanbromid und Tributylstannaniodid geeignet, die mittlere Lewissäuren haben. Es können makromolekulare Ionenverbindungen wie z.B. Poly{methacrylsäureester(2-bromotrimethylammonium)ethyl} verwendet werden.
Als nächstes wird ein Beispiel einer Messung der Brechungsindexänderungen erklärt. Bei diesem Beispiel wurden Reflexionsindexänderungen der optischen Vorrichtung, die mit Brechungsindexänderungen einhergehen, derart erfaßt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, und zwar durch Erfassen des reflektierten Strahls an der Schnittstelle zwischen den transparenten ITO-Elektroden und dem Ionenleiter durch eine Silizium-Photodiode und unter Verwendung eines Helium-Neon- Lasers (632,8 nm) als Strahlquelle.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, wird die Modulation des einfallenden Strahls auf der Basis der Reflexion von einer Schnittstelle zwischen dem Ionenleiter und der höher lokalisierten ITO-Elektrode C (die an der Einfallsseite angeordnet ist) beobachtet. Aber die optische Modulation des einfallenden Strahls kann auch durch Beobachten der Reflexion von einer Schnittstelle zwischen der unten lokalisierten ITO-Elektrode und dem Ionenleiter realisiert werden.
Fig. 3 zeigt das Meßergebnis des reflektierten Strahls eines S-polarisierten Strahls bei einem Einfallswinkel von 60º bei ±20 V. Fig. 4 zeigt das Meßergebnis einer angelegten Spannung in Abhängigkeit von der Brechungsindexänderung und der Ansprechzeit. Dieselbe Brechungsindexänderung (reversible Änderung) kann an Kation-Leitern realisiert werden. Insbesondere wurden 56 mg von Lithium-Perchlorat, 0,6 g von Toluen-Diisocyanat und 1 g von PPO (Polypropylen-Oxid) als die inituerenden Materialen verwendet, und ein Kation-Leiter wurde vorbereitet. Fig. 5 zeigt das Meßergebnis, das durch das Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens in Fig. 2 erhalten wird. Als nächstes werden insbesondere verschiedene Strukturen der optischen Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die hierzu beigefügten Zeichnungen erklärt.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines Beispiels des Ausführungsbeispiels In Fig. 6 ist der Ionenleiter 1 aus einem Material hergestellt, dessen Brechungsindex n 1,47 1,50 ist. Die Elektroden 21, 22 sind aus ITO gebildet, dessen Brechungsindex n = 1,95 ist. Die Glasschichten 31, 32 sind aus einem Glasmaterial gebildet, dessen Brechungsindex n = 1,5 ist. Ein einfallender Strahl wird von einem He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm als Strahlquelle 4 emittiert, um auf der Glasschicht 31 unter einem Einfallswinkel von 82º einzufallen. Der einfallende Strahl nimmt drei optische Pfade. Ein erster optischer Pfad ist ein optischer Pfad A&sub1; (der durch die gestrichelte Linie in Fig. 6 gezeigt ist), auf dem der einfallende Strahl an der Schnittstelle zwischen der Elektrode 21 und der Glasschicht 31 reflektiert. Ein zweiter optischer Pfad ist ein optischer Pfad A&sub2;, auf dem der einfallende Strahl an der Schnittstelle zwischen der Elektrode 21 und dem Ionenleiter 1 reflektiert. Ein dritter optischer Pfad ist ein optischer Pfad A&sub3;, auf dem der einfallende Strahl den Ionenleiter 1 durchläuft. Der Strahl entlang dem optischen Pfad A&sub1; ist durch eine Apertur 5 abgeschnitten. Die Strahlen entlang den optischen Pfaden A&sub2;, A&sub3; werden jeweils durch einen Photodetektor 6, 7 erfaßt. Tatsächlich ist es jedoch ziemlich schwierig, den Strahl durch die Apertur abzuschneiden. In einem solchen Fall können beide Strahlen entlang den optischen Pfaden A&sub1;, A&sub2; durch den Photodetektor 6 erfaßt und elektrisch getrennt werden. Diese Trennung macht es durch Vorsehen eines Komparators möglich, den Strahl unter einem Schwellenpegel zu entfernen.
In diesem Zustand wird eine Potentialdifferenz von 20 V zwischen den Elektroden 21, 22 angelegt, ein Brechungsindex des Ionenleiters ändert sich von n = 1,488 zu 1,473, und ein einfallender Strahl A&sub0; an der Schnittstelle zwischen dem Ionenleiter 1 und der Elektrode 21 überschreitet einen kritischen Winkel. Folglich wird der Strahl entlang dem optischen Pfad A&sub3; durch den Photodetektor 7 nicht erfaßt. Als Ergebnis ermöglicht die oben beschriebene Struktur das EIN- AUS-Schalten des gesendeten Strahls.
Die Fig. 7A und 7B zeigen eine optische Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel, dessen Strahlmodulationseffekt durch Mehrfachreflexionen verbessert ist. Wie es in Fig. 7A gezeigt ist, ist ein Paar von Ionenleitern 1A, 1B mit Elektroden 21A, 22A und Elektroden 21B, 22B an beiden Seiten, die aus denselben Materialien gebildet sind, jeweils an beiden Seiten einer Glasschicht 10 mit hohem Brechungsindex angebracht. Ein Strahl von der Strahlquelle 4 fällt auf eine Seite der Glasschicht 10 ein, und der abgehende Strahl wird an der anderen Seite durch einen Photodetektor 6 erfaßt. In Verbindung mit einer zwischen den Elektroden 21A, 21B und zwischen den Elektroden 22A, 22B angelegten Potentialdifferenz haben die Elektrode 21A und die Elektrode 21B dieselbe Polarität und haben die Elektrode 22A und die Elektrode 22B dieselbe Polarität, so daß die am Punkt a an der Schnittstelle zwischen dem Ionenleiter 1A und der Elektrode 21A auftretende optische Modulation durch die am Punkt b an der Schnittstelle zwischen dem Ionenleiter 1B und der Elektrode 21B auftretende optische Modulation verstärkt wird. Folglich kann die optische Modulation durch die Mehrfachreflexionen verbessert werden. Wenn die Elektroden 21A, 21B desselben Materials einander gegenüberliegende Elektroden haben, arbeitet die optische Modulation am Punkt a und jene am Punkt b umgekehrt, ohne einen optischen Modulationseffekt zu erzeugen. Somit haben die jeweiligen Elektroden 21A, 22A und die Elektroden 22A, 22B dieselbe Polarität.
Die optische Vorrichtung der Struktur der Fig. 7B führt dieselbe Funktion wie jene der Fig. 7A aus. Der einzige Unterschied besteht darin, daß Blöcke 11, 12 aus optischem Glas jeweils an der Strahleinfallsposition und der Strahlausgangsposition angeordnet sind. Wenn die Elektrode 21A und die Elektrode 21B aus optisch unterschiedlichen Materialien gebildet sind, können die Elektroden 21A, 21B dieselbe Polarität haben, so daß die optische Modulation verbessert wird.
Fig. 8 zeigt eine optischen Vorrichtung vom Mehrfachreflexionstyp gemäß dem Ausführungsbeispiel, das Elektroden 21, 22 aus unterschiedlichen Materialien verwendet. Die Elektroden 21, 22 sind jeweils an beiden Seiten eines Ionenleiters 1 angebracht. Wenn eine Spannung an den Ionenleiter 1 angelegt wird, hat eine der Schnittstellen zwischen dem Ionenleiter 1 und der Elektrode 21 oder der Elektrode 22 einen höheren Brechungsindex, und die andere der Schnittstellen hat einen niedrigeren Brechungsindex. Da die Elektroden 21, 22 aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, sind ihre Brechungsindizes unterschiedlich voneinander, was die optische Modulation verstärkt. Da es für die Elektroden 21, 22 erforderlich ist, daß sie hohe Brechungsindizes haben, sollen die die Elektroden 21, 22 vorzugsweise opaque sein (z.B. Al- und As-Elektroden).
Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer optischen Vorrichtung zur optischen Modulation vom strahltransmittierenden Typ gemäß dem Ausführungsbeispiel Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, sind eine Elektrode 21 aus beispielsweise ITO und eine Elektrode 22 aus beispielsweise Au an beiden Seiten eines Ionenleiters 1 angeordnet. Sie sind an ihren Seiten von Glasschichten 31, 32 umgeben.
Wenn eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 21, 22 angelegt wird, hat der Ionenleiter 1 einen höheren Brechungsindex an einer der Schnittstellen und einen niedrigeren Brechungsindex an der anderen der Schnittstellen. Diese Elektroden 21, 22 haben voneinander optisch unterschiedliche Qualitäten. Folglich kann eine reversible optische Modulation unter Verwendung von Brechungsindexänderungen durchgeführt werden, und die optische Modulation kann durch einen Photodetektor 6 erfaßt werden.
Fig. 10 zeigt eine optische Vorrichtung zur optischen Modulation vom strahlreflektierenden Typ gemäß dem Ausführungsbeispiel. Eine Eigenschaft dieser optischen Vorrichtung besteht darin, daß eine Elektrode 22 eine transparente Elektrode aus beispielsweise ITO ist, aber eine Elektrode 21 aus lichtabsorbierendem opaquen Material (z.B. Carbonschwarz) gebildet ist. Demgemäß wird das meiste eines einfallenden Strahls durch die Elektrode 21 absorbiert, und nur ein reflektierter Teil des auf der Schnittstelle zwischen dem Ionenleiter 1 und der Elektrode 22 einfallenden Strahls gelangt in einen Photodetektor 6. Dieses Beispiel ist insbesondere für den Fall vorzuziehen, daß der Ionenleiter 1 ein dünner Film ist. Diese Anordnung verhindert das Mischen des reflektierten Strahls an der Schnittstelle zwischen der Elektrode 22 und dem Ionenleiter 1 mit jenem an der Schnittstelle zwischen der Elektrode 21 und dem Ionenleiter 1.
Die Fig. 11A und 11B sind optische Vorrichtungen gemäß dem Ausführungsbeispiel mit Paaren von Elektroden, die derart angeordnet sind, daß ein Paar von Elektroden quer zum anderen Paar ist. Fig. 11A ist eine perspektivische Ansicht und Fig. 11B ist eine Querschnittsansicht. Wie es gezeigt ist, ist ein Paar von Elektroden 21a, 22a an der oberen Seite und der unteren Seite eines Ionenleiters 1 angeordnet, und ein weiteres Paar von Elektroden 21b, 22b ist an der rechten und der linken Seite des Ionenleiters 1 angeordnet. Da die Elektroden 21b, 22b der oberen Elektrode 22a näher sind, sind die Feldintensität der Schnittstelle zwischen der Elektrode 21a und dem Ionenleiter 1 und jene der Schnittstelle zwischen der Elektrode 22 und dem Ionenleiter 1 ungleich zueinander. Folglich hat der Ionenleiter 1 Brechungsindizes, die an den jeweiligen Schnittstellen unterschiedlich voneinander sind. Ein Strahl wird an diesen Schnittstellen mehrfach reflektiert, wodurch die optische Modulation durchgeführt werden kann.
Oben sind bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Verwendung von makromolekularen Materialien beschrieben worden. Jedoch ist es möglich, andere Materialien zu verwenden, obwohl sie nicht im Schutzumfang der Ansprüche enthalten sind, wenn sie kein hochmolekulares Material enthalten.
Fig. 12 ist eine Ansicht einer Grundstruktur der optischen Vorrichtung, die eine Flüssigkeit verwendet, deren Viskosität niedriger als die der makromolekularen Materialien ist. Wie es in Fig. 12 gezeigt ist, ist der lichttransmittierende Behälter aus Glasschichten hergestellt, und die Elektroden 21, 22 sind in Filmen an den inneren Flächen der Zelle mit einer Glasschicht 33 als Boden gebildet. Dieser Behälter hält eine Dimethylformamidlösung mit 1 mmol von aufgelöstem Tetrabutylamrnoniumbromid, und so ist eine einzelne optische Vorrichtung gebildet. Eine Potentialdifferenz E mit inversen Polaritäten wird zwischen den Elektroden 21, 22 durch eine Schaltoperation angelegt.
Bei dieser optischen Vorrichtung führen genauso wie bei der optischen Vorrichtung, die makromolekulare Materialien verwendet, dann wenn eine eingestellte Potentialdifferenz E zwischen den Elektroden 21, 22 angelegt wird, in dem aus Flüssigkeit hergestellten Ionenleiter enthaltene Ionen einen Übergang durch, und eine äquivalente Polarisierung tritt auf. Dann geht ein Brechungsindex des Ionenleiters 1 an einer seiner Schnittstellen mit den Elektroden 21 oder 22 nach oben und jener an der anderen Schnittstelle geht nach unten. Folglich können die Zustände des Strahlreflexionsvermögens oder der -transmittanz an den Schnittstellen oder einer Totalreflexion geändert werden und als Ergebnis kann eine optische Modulation durchgeführt werden. Der Brechungsindex kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes reversibel gesteuert werden. Folglich kann eine reversible optische Modulation realisiert werden. Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 13 ein Beispiel der Messungen von Änderungen des Brechungsindexes durch die oben beschriebene optische Vorrichtung erklärt. Ein einfallender Strahl wird von einer Strahlquelle 4, einem He-Ne-Laser einer Wellenlänge von 632,8 nm, emittiert. Der Strahl ist P-polarisiert, um auf die Glasschicht 31 unter einem Einfallswinkel von 60º einzufallen. Der einfallende Strahl nimmt drei optische Pfade. Ein erster optischer Pfad ist ein optischer Pfad A3, auf dem der einfallende Strahl an der Schnittstelle zwischen der transparenten Elektrode 21 aus ITO (Indiumzinnoxid) und der Glasschicht 31 reflektiert wird. Ein zweiter optischer Pfad ist ein optischer Pfad A2, auf dem der einfallende Strahl an der Schnittstelle zwischen der transparenten Elektrode und dem Ionenleiter 1 reflektiert wird. Ein dritter optischer Pfad ist ein optischer Pfad A3, auf dem der einfallende Strahl den Ionenleiter 1 durchläuft. Der einfallende Strahl entlang den optischen Pfaden A1 und A2 wird durch eine Silizium-Photodiode 5 erfaßt, und der einfallende Strahl entlang dem optischen Pfad A3 wird durch eine Silizium-Photodiode 6 erfaßt. Fig. 14 zeigt das Meßergebnis der reflektierten Strahlen in dem Fall, daß eine Spannung von ±1 V zwischen den transparenten Elektroden 21, 22 angelegt ist. Zwischen den Fällen, daß eine Potentialdifferenz von +1 V angelegt ist und daß eine Potentialdifferenz von -1 V angelegt ist ändert sich der Brechungsindex des Ionenleiters 1 reversibel zwischen 1,44293 und 1,44987, und das Reflexionsvermögen der reflektierten Strahlen hat sich geändert. Dieses Meßergebnis zeigt, daß eine Ionenleitung durch Anlegen einer Potentialdifferenz an dem Ionenleiter 1 stattfindet, und daß der Brechungsindex reversibel geändert wird, wodurch die reflektierten Strahlen moduliert werden können.
Als für die Ionenleitfähigkeit 1 verwendetes Lösungsmittel kann zusätzlich zu Dimethylformamid irgendein Lösungsmittel verwendet werden, das nicht leicht elektrolysiert wird. Ein solches Lösungsmittel ist beispielsweise Dimethyl-Sulfoxid, Propylen-Carbonat, Ethylen-Carbonat und Acetonitril.
Bei dieser Erfindung sind zusätzlich zu dem Obigen verschiedene Kombinationen als Zusammensetzung des Ionenleiters 1 möglich. Als Zusammensetzung, die im Lösungsmittel Kationen erzeugt, können zusätzlich zu Tetrabutylamrnoniurn beispielsweise Tetraphenylammonium, Tetrabutylphosphonium, Tetraphenylphosphonium; ihre Tributyl- Derivate, Triphenyl-Derivate, Diphenyl-Derivate, Monobutyl- Derivate, Monophenyl-Derivate, Lithiumkation verwendet werden. Als Zusammensetzung, die Anionen im Lösungsmittel erzeugt, können zusätzlich zu Bromidanionen Chloridanionen, Fluoridanionen, Iodidanionen, Hexafluorphosphat, Tetrafluoroborat, etc. verwendet werden.
Fig. 15 zeigt eine Anwendung der optischen Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel bei einem Antireflexionsfilm variabler Wellenlänge oder einem Film, der das Reflexionsvermögen vergrößert. Wie es in Fig. 15 gezeigt ist, sind Elektroden 21, 22 an beiden Seiten eines Ionenleiters 1 angebracht. Die so vorbereitete optische Vorrichtung ist auf einem Substrat 42 angeordnet, das eine Antireflexion oder eine Reflexionserhöhung benötigt. Wenn eine Potentialdifferenz E zwischen den Elektroden 21, 22 angelegt wird, kann ein Brechungsindex des Ionenleiters 1 an der Schnittstelle des Ionenleiters zu der Elektrode 22 geändert werden. Folglich kann ein Wellenlängenbereich auf einfache Weise für höhere und niedrigere Brechungsindizes gesteuert werden.
Die Fig. 16 und 17 zeigen Konzepte für ein Schreiben und Lesen von Information unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel. Wie es in Fig. 16 gezeigt ist, enthält ein Gerät zum Aufzeichnen eines zweidimensionalen Bildes 90, das die optische Vorrichtung ist, einen plattenartigen Ionenleiter 1. Eine horizontale Elektrodenplatte 91 und eine vertikale Elektrodenplatte 92 sind an beiden Seiten des Ionenleiters 1 angebracht. Die horizontale Elektrode 91 enthält eine Anzahl horizontaler Elektroden (nicht gezeigt), die in horizontaler Richtung parallel zueinander angeordnet sind. Die vertikale Elektrodenplatte 92 enthält eine Anzahl vertikaler Elektroden (nicht gezeigt), die in vertikaler Richtung parallel zueinander angeordnet sind. Die jeweiligen horizontalen Elektroden sind mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen eines horizontalen Treibers 93 durch Leitungen 95 verbunden, und die jeweiligen vertikalen Elektroden sind mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen eines vertikalen Treibers 94 durch Leitungen 96 verbunden. Der horizontale Treiber 92 und der vertikale Treiber 94 werden mit einem horizontalen und einem vertikalen Treibersignal von einem Signalgenerator für ein zweidimensionales Bild 97 versorgt.
In diesem Gerät zum Aufzeichnen eines zweidimensionalen Bildes 90 findet dann, wenn eine Spannung angelegt wird, eine Potentialdifferenz im Ionenleiter 1 an einem Schnittpunkt zwischen der horizontalen Elektrode und der vertikalen Elektrode statt, und ein Brechungsindex ändert sich. Folglich wird eine Ausgabe von einem Signalgenerator für ein zweidimensionales Bild 97 als Verteilung des Brechungsindexes entsprechend einem zweidimensionalen Bild aufgezeichnet. Der Brechungsindex an dem Gerät 90 entspricht dem Reflexionsvermögen an der Quelle. Demgemäß kann das zweidimensionale Bild durch Erfassen reflektierter Strahlen eines einfallenden parallelen Strahls gelesen werden. In Fig. 16 ist gezeigt, daß dann, wenn ein paralleler Strahl über einen Halbspiegel 98 auf das Gerät zum Aufzeichnen eines zweidimensionalen Bildes 90 einfällt, weil sich ein Reflexionsvermögen an der Schnittstelle zum Ionenleiter 1, der im Gerät zum Aufzeichnen eines zweidimensionalen Bildes 90 enthalten ist, entsprechend einer Verteilung eines Brechungsindexes verändert, der über einen Halbspiegel 98 erfaßte abgehende Strahl eine zweidimensionale Intensitätsverteilung hat. Folglich kann ein Bild an dem Gerät zum Aufzeichnen eines zweidimensionalen Bildes 90 als Verteilung von Reflexionsvermögen gelesen werden, wie es in Fig. 17 gezeigt ist. Es ist für das Verhindern eines Mischens der reflektierten Strahlen vorzuziehen, daß die jeweiligen vertikalen Elektroden der vertikalen Elektrodenplatte 92 aus einem lichtabsorbierenden Material hergestellt sind, und daß die jeweiligen horizontalen Elektroden der horizontalen Elektrodenplatte 91 aus einem lichttransmittierenden Material hergestellt sind.
Bei der oben beschriebenen optischen Vorrichtung wird eine mobile Ionen enthaltende Flüssigkeit als Ionenleiter verwendet. Aber gemäß dieser Erfindung ist es möglich, daß anstelle der Flüssigkeiten ein in einem Film ausgebildeter lichttransmittierender anorganischer Festkörper, z.B. β- Aluminium, das Natriumionen enthält, oder Rb&sub4;Cu&sub1;&sub6;I&sub7;Cl&sub1;&sub3;, verwendet wird. In diesem Fall ist ein Paar von Elektroden, die in Schichten ausgebildet sind, an beiden Seiten des anorganischen Festkörpers angeordnet, und der anorganische Festkörper ist an zwei Seiten von einem Paar von Glasschichten umgeben. Die so vorbereitete optische Vorrichtung kann denselben vorteilhaften Effekt erbringen wie das oben beschriebene Ausführungsbeispiel.
Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auch auf die Operation zwischen Bildern angewendet werden.
Wie es oben detailliert beschrieben ist, wird gemäß dieser Erfindung ein Brechungsindex reversibel durch eine Ionenleitung verändert, wodurch transrnittierte Strahlen oder reflektierte Strahlen der optischen Vorrichtung reversibel verändert werden können. Folglich kann die optische Vorrichtung gemäß dieser Erfindung einen Brechungsindex reversibel steuern, und sie kann bei niedrigen Spannungen arbeiten.
Aus der somit beschriebenen Erfindung wird klar, daß die Erfindung auf viele Weisen verändert werden kann. Solche Veränderungen sind nicht als Abweichungen vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen, und alle derartigen Änderungen, wie sie für einen Fachmann klar wären, sollen im Schutzumfang der folgenden Ansprüche enthalten sein.

Claims

1. Optische Vorrichtung, die folgendes aufweist:

einen Ionenleiter (1), der aus einem transparenten Material hergestellt ist, das mobile Ionen enthält, von dem sich der Brechungsindex gemäß einem daran angelegten elektrischen Feld reversibel ändert; und

wenigstens ein Paar von Elektroden (21, 22), die einander über den Ionenleiter gegenüberstehen und mit dem Ionenleiter in Kontakt sind;

wobei dann, wenn das elektrische Feld durch die Elektroden an den Ionenleiter angelegt ist, der Brechungsindex in wenigstens einem Bereich des Ionenleiters gemäß dem angelegten elektrischen Feld geändert wird, ohne wesentliche Änderung bezüglich der Farbe des Ionenleiters, und wobei der Ionenleiter ein hochmolekulares Material ist.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil der Elektroden aus transparentem leitenden Material hergestellt ist.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das hochmolekulare Material Polymer aus Methacrylsäureester- Zusammensetzungen einschließlich Alkylgruppen umfaßt.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das hochmolekulare Material Vinyl-Kunstharz ist.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ionenleiter Ammoniumsalz ist.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Ionenleiter ein organometallischer Komplex mit einer Lewis-Säure ist.

7. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ionenleiter Phosphoniumsalz ist.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Ionenleiter ein organometallischer Komplex mit einer Lewis-Säure ist.

9. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ionenleiter in einem dünnen Film ausgebildet ist.

10. Optische Vorrichtung nach Anspruch 9, die weiterhin ein Paar von Glasschichten aufweist, die an beiden Seiten der Elektroden angeordnet sind und die optische Vorrichtung an zwei Seiten umgeben.

11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin ein Paar weiterer Elektroden aufweist, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und den Ionenleiter kontaktieren.

12. Optischer Schalter, der folgendes aufweist: ein transparentes Substrat (10) mit einem ersten Brechungs index;

Ionenleiterfilme (1A, 1B), die aus einem transparenten Material hergestellt sind, das ein hochmolekulares Material ist und mobile Ionen enthält und an beiden Seiten des transparenten Substrats vorgesehen ist, wobei die Ionenleiterfilme einen zweiten Brechungsindex haben, der niedriger als der erste Brechungsindex ist;

ein Paar von Elektroden (21A, 22A, 21B, 22B), die an beiden Seiten jedes der Ionenleiterfilme vorgesehen sind, wobei eine Elektrode jedes der Paare von Elektroden das transparente Substrat kontaktiert; und

eine Potentialanlegeeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die jeweiligen Elektroden, um den Brechungsindex der Ionenleiterfilme ohne wesentliches Ändern ihrer Farbe reversibel zu ändern, um eine Totalreflexion bei einer Schnittstelle zwischen dem Ionenleiterfilm und dem transparenten Substrat zu veranlassen, um eine Änderung des optischen Pfades durchzuführen.

13. Optische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei wenigstens ein Teil der Elektroden aus transparentem leitenden Material hergestellt ist.

14. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes aufweist:

einen Behälter (31, 32, 33), in dem der Ionenleiter untergebracht ist, wobei wenigstens ein Teil des Behälters aus transparentem Material hergestellt ist;

wobei die Elektroden an inneren Oberflächen des Behälters angeordnet sind.

15. Optische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Behälter durch ein Paar von Glasplatten gebildet ist, die einander parallel gegenüberliegen, und der Ionenleiter in einem dünnen Film ausgebildet ist und zwischen den Glasplatten eingefügt ist.

16. Optische Vorrichtung zum Durchführen einer Antireflexion variabler Wellenlänge, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

eine optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine der Elektroden an einem Element (42) angeordnet ist, das einen Brechungsindex hat, der größer als jener des Ionenleiters ist; und wobei die Vorrichtung weiterhin folgendes aufweist:

eine Anlegeeinrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektroden, um dadurch den Brechungsindex des Ionenleiters reversibel zu ändern, um eine Änderung des Reflexionsvermrnögens der Vorrichtung für die Wellenlänge des einfallenden Lichtes zu erhalten.

17. Optische Speichervorrichtung, die folgendes aufweist:

einen Ionenleiter (1), der aus einem transparenten Material hergestellt ist, das ein hochmolekulares Material aufweist und mobile Ionen enthält, von dem sich der Brechungsindex gemäß einem daran angelegten elektrischen Feld reversibel ändert; und

ein erstes Elektrodenelement (91) mit einer Vielzahl von Streifen, die entlang einer ersten Richtung parallel angeordnet sind und an einer Seite des Ionenleiters in Kontakt mit dem Ionenleiter vorgesehen sind; und

ein zweites Elektrodenelement (92) mit einer Vielzahl von Streifen, die entlang einer zweiten Richtung parallel angeordnet sind, die unterschiedlich von der ersten Richtung ist, und die an der anderen Seite des Ionenleiters in Kontakt mit dem Ionenleiter vorgesehen sind, um zu ermöglichen, daß das Aufzeichnen eines zweidimensionalen Bildes durch selektives Anlegen eines elektrischen Potentials an jeden Streifen des ersten und des zweiten Elektrodenelements durchgeführt wird.