JP2002287047A - 光スイッチング素子、光スイッチングデバイス、それらの製造方法および画像表示装置 - Google Patents
光スイッチング素子、光スイッチングデバイス、それらの製造方法および画像表示装置Info
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Abstract
て、製造が容易で、光学的な性能も向上できる光スイッ
チングデバイスを提供する。 【解決手段】 ハーフミラー22と反射体42との距離
を制御する干渉型の光スイッチングデバイス4におい
て、オン位置で反射体42がハーフミラー22に密着
し、オフ位置で反射体42とハーフミラー22の距離d
1を130nm±5nmにする。これにより、波長42
0nmから620nmの可視光領域でコントラスト比が
10:1の光スイッチングデバイスを提供することがで
き、反射体42とハーフミラー22の距離の管理が容易
になるので、製造上の制約を緩和できる。
Description
装置あるいはプロジェクタ装置などに用いられる光スイ
ッチング素子、光スイッチングデバイスおよびその製造
方法に関するものである。
を形成する画像表示装置として、高速で光をオンオフ可
能なDMDなどの光スイッチングデバイスが知られてい
る。さらに、DMDのように反射性のミラーの角度を変
えて光をオンフオフするものではなく、反射性のミラー
と半透過性のミラーを用い、それらの距離を変えて光を
制御する干渉型のデバイスが検討されている。図8
(a)および(b)に示す干渉型表示素子は初澤ら(T.
IEE Japan, Vol,119-E, No 12,'99,pp631-635)が提案
しているものである。この干渉型のデバイス100は、
シリコン基板101に高反射性のミラー(底部ミラー)
102を設け、この底部ミラー102の上に適当な間隔
Dを空けてハーフミラー103を設けたものである。こ
のハーフミラー103は、ギャップ間隔を開けるSiO
2などの部材がシリコン基板101との間に配置されて
いる。
すように、ハーフミラー103は透明電極104を兼ね
ており、適当な電圧が印加されると基板101の側の底
部ミラー102と上方のハーフミラー103との間に静
電吸引力が働く。したがって、ハーフミラー103の位
置が上下方向に制御され、ハーフミラー103と底部ミ
ラー102との光路差が半波長(λ/2)ずれるに従っ
て干渉が起こり、明暗のコントラスト変化が起こる。例
えば、波長λの単色光を用いた場合は、ハーフミラー1
03が上下し、底部ミラー102との距離Dがλ/4変
化すると明暗の変化が起こる。したがって、白色光を用
いて、上下に動くハーフミラー103の位置を高精度に
制御すれば、干渉色によりカラー表示も可能となる。こ
のため、この干渉型素子100を多数集積すると、反射
型のディスプレーを構成できる。そして、従来の白色光
を3原色の各色光に時分割するカラーフィルタなどを用
いるカラー表示方法に比べて、画素の集積度が約3倍に
向上することが期待されている。また、液晶の代わり
に、機械要素であるミラーにすることで、高速な応答が
可能であり、さらに、静電駆動を用いることで、消費電
力を低減できることも期待されている。
素子を用いたデバイスは、従来の液晶デバイスより小型
化が容易であり、さらに高速応答が可能で消費電力も少
ないといった多くのメリットを備えている。しかしなが
ら、上記の干渉型のデバイス100は実用化に向けて多
くの問題を抱えている。その1つは、スイッチングする
色毎にミラーの移動距離を変える必要があり、さらに、
その距離をミクロン単位で制御する必要があることであ
る。たとえば、上記のデバイスでは、ハーフミラー10
3が上下してスイッチングするが、底部ミラー102と
の距離Dがλ/4変化すると明暗の変化が起こる。した
がって、底部ミラー102の距離をスイッチングする光
の波長の1/4の距離で精度良く制御する必要がある。
そして、スイッチングする光の波長が異なれば、距離D
を変える必要があり、3原色をスイッチングするために
は少なくとも3種類の移動距離の異なる光スイッチング
素子を1つのデバイスに作り込むか、あるいは、1つの
光スイッチング素子の移動距離を3つの異なる距離に制
御する必要がある。このため、非常に高い寸法精度が要
求されることになり、実際に歩留まり良く製造すること
は困難である。
ン位置とをそれぞれ波長によって変化させる代わりに、
オフ位置は固定してオン位置だけをスイッチングする波
長で変えることにより、ミラーが動く距離の制御を簡易
にすることが考えられる。しかしながら、オン位置の精
度は、各々の波長の1/4の距離での精度、すなわち、
数10nmあるいはnm程度さらにはそれ以下の精度が
要求され、スイッチングする波長の異なる光スイッチン
グ素子を同一のデバイスに作り込んだり、1つの光スイ
ッチング素子でスイッチングする距離をnmレベルで制
御することが要求される。したがって、光干渉型の光ス
イッチング素子は、サブミクロンオーダでの寸法精度に
加えて、マルチカラーを表現するデバイスを実現するた
めには、寸法の異なる光スイッチング素子を1つのデバ
イスに作り込む必要があるので、構造が複雑になり製造
上の問題が多い。このため、歩留りの向上、およびスイ
ッチングの信頼性を向上させることが難しい。
バイスでありながら、量産性が高く、さらに、低コスト
で提供できる光スイッチング素子およびデバイスを提供
することを目的としている。さらに、光スイッチング素
子の制御回路も組み込むことができる光スイッチングデ
バイスおよびその製造方法を提供することを目的として
いる。また、本発明の光干渉型のデバイスを用いて低コ
ストで高解像度のカラー表示が可能な画像表示装置を提
供することも本発明の目的としている。
ては、各色の光の波長毎に距離を変えるのではなく、1
つの距離で各色の波長をオンオフする光干渉型の光スイ
ッチング素子およびデバイスを提供するようにしてい
る。すなわち、オフ位置のみならず、オン位置も各色の
光の波長に共通な光スイッチング素子およびデバイスを
提供する。このため、本発明の、半透過体と反射体との
距離を変えることにより半透過体に入射した光をオンオ
フ可能な光スイッチング素子においては、反射体が半透
過体に密着するオン位置と、反射体が半透過体から所定
の距離だけ離れるオフ位置とに移動する。
半透過体とを備えた干渉型であるが、モノクロでオンオ
フを制御する光スイッチング素子であり、反射体がハー
フミラー、すなわち半透過体に密着して全反射するオン
位置と、反射体が半透過体から所定の距離だけ離れて干
渉によって出射される光をオフするオフ位置とを有す
る。したがって、オフする位置を、各波長の光を干渉に
よりほぼオフにできる位置に選択することにより、可視
光領域の波長の光を1つの反射体の移動距離でスイッチ
ングすることができる光スイッチング素子を提供でき
る。このため、この光スイッチング素子を2次元に並べ
た光スイッチングデバイスを画像の形成のために採用
し、その光スイッチングデバイスに入射される色を分割
することにより、マルチカラーの画像を出力可能な画像
表示装置を提供できる。特に、本発明の光スイッチング
デバイスと、カラーフィルタとを有する直視型の画像表
示装置、あるいは本発明の光スイッチングデバイスと、
この光スイッチングデバイスに各色の光を順番に供給す
る照明機構と、光スイッチングデバイスから出力された
光をスクリーン上に投影するレンズとを有する画像表示
装置は、単板式でマルチカラーの画像を表示することが
可能である。そして、本発明の光スイッチングデバイス
は、波長の異なる光を干渉により制御するために、寸法
の異なる光スイッチング素子を1つのデバイスに作り込
む必要はないので、構造が簡易となり、製造が容易とな
る。このため、本発明により歩留りを向上でき、信頼性
の高い光スイッチングデバイスを低コストで提供でき
る。
と半透過体との間の光路に沿った距離が100nmから
150nmの範囲とすることが望ましい。光路が反射体
に垂直であれば反射体と半透過体との距離を上記の範囲
にすれば良いが、光路が傾いている場合は、その光路に
沿った距離を上記の範囲にすることが望ましい。この範
囲であれば、各色の波長を含む入射光、すなわち、42
0nmから620nmの波長の光の強度をほぼ30%以
下にすることが可能であり、10対3のコントラストを
確保することができる。したがって、さらに高コントラ
ストが要求される場合は、複数の光スイッチングデバイ
スを設け、第1の光スイッチングデバイスから出射され
た光が第2の光スイッチングデバイスの入射光となるよ
うに配置することにより、高コントラストの画像を出力
する画像表示装置を提供できる。また、デバイスのレベ
ルで、複数の光スイッチング素子が、第1の光スイッチ
ング素子の出射光が第2の光スイッチング素子の入力と
なるように直列に配置しても良い。
は、反射体と半透過体との間の光路に沿った距離が12
5nmから135nmの範囲とすることが望ましい。こ
の範囲であれば、420nmから620nmの波長の光
の強度をほぼ10%以下にすることが可能であり、10
対1のコントラストを確保することができる。また、さ
らに高コントラストが要求される場合には、直列に配置
するデバイスあるいは素子の数を低減することが可能と
なる。
スにおいては、オン位置で全ての波長の光を、高い強度
で出射できるように反射体を半透過体に密着させる。し
たがって、反射体をオフ位置に駆動し易くするために
は、反射体の半透過体に接する側、または半透過体の反
射体に接する側に吸着防止層を形成することが望まし
い。吸着防止層としては、ITO(Indium tin oxide)
などの透明導電膜をコーティングすることができる。
板に半透過体を形成し、第2の基板に反射体と、反射体
をオン位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエ
ータとを重ねて形成し、これら第1および第2の基板、
半透過体と反射体とが対面し、オン位置では、反射体が
半透過体に密着し、オフ位置では、反射体が半透過体か
ら所定の距離だけ離れるように、第1および第2の基板
を組み立てることが望ましい。また、光スイッチングデ
バイスであれば、第1の基板に複数の半透過体を形成
し、第2の基板に複数の反射体と、各々の反射体をオン
位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエータと
を重ねて形成した後に、上記と同様のオン位置およびオ
フ位置となるように、第1および第2の基板を組み立て
ることが望ましい。
体と、反射体とを1つの基板上に配置するのではなく、
異なる基板に配置して、それらの基板を合わせることに
より干渉型のデバイスを構成し、さらに、反射体を、半
透過体と反射体との距離(位置)を制御するアクチュエ
ータに重ねて形成することにより、半透過体および反射
体の機能をアクチュエータの機能と分離し、それぞれを
最適化できる。また、透過体および反射体を別基板で製
造するので、それぞれの構造体を製造する歩留まりが、
分散あるいは独立となり、これらを1つの基板に作成し
ていたときのように歩留まりが重なって、光スイッチン
グ素子あるいは光スイッチングデバイスの歩留まりが低
下するのを防止できる。このため、低コストで性能の良
い、干渉型の光スイッチング素子および光スイッチング
デバイスを提供することができる。
チングデバイスであれば、反射体は、アクチュエータを
兼ねる必要がないため、アクチュエータにはピエゾなど
を用いることも可能である。これに対して、電極を積層
する静電型のアクチュエータであれば、フォトリソグラ
フィー技術を用いて、サブミクロンオーダのサイズで製
造することができる。さらに、消費電力が低くなる等の
メリットもあるので適している。
は、オフ位置で第1および第2の電極の距離が最小とな
る。したがって、これらの電極の最小間隔を設定するス
トッパーを形成することにより、上述した特定の光路
差、すなわち、100nm〜150nm、あるいは12
5nm〜135nmの距離にオフ位置を確実に制御で
き、これを超えるようなオーバランを防止できる。ま
た、ストッパーで停止する機構とすることにより、反射
体が途中で止まらずにオフ位置まで確実に駆動できるよ
うな力を静電型アクチュエータで発揮する構成にでき、
オフ位置の制御が簡易となる。
タにより駆動される光学素子が反射型であるので、第2
の基板は透明である必要はない。したがって、第2の基
板としてシリコン基板などの半導体回路を形成するが容
易で実績のある基板を用いることができる。このため、
半導体基板を用いて、この半導体基板にアクチュエータ
を積層し、各々の光スイッチング素子を駆動する制御回
路を第2の基板に組み込むことが容易であり、駆動回路
付きの光干渉型の光スイッチングデバイスを低コストで
提供することができる。
イスであれば、構造が単純になるので、歩留まりが向上
し量産性が増す。また、本発明の光スイッチングデバイ
スは反射型なので、上述したように、反射型の液晶パネ
ルと同様の直視型の画像表示装置を提供できる。そし
て、液晶パネルより高速で、高解像度であり、さらに、
消費電力も少ない画像表示装置を提供でき、携帯電話な
どの表示パネルとして採用することが可能である。
の実施の形態を説明する。図1に、本発明の光スイッチ
ングデバイス4を備えたプロジェクタ装置1の概略構成
を示してある。このプロジェクタ装置1は、光スイッチ
ングデバイス4に、各色の光を順番に供給する照明機構
2を備えている。本例の照明機構2は、キセノンランプ
などの白色光71Wを出力する光源部2aと、この光源
部2aからの白色の光束71Wを時分割する回転式のカ
ラーフィルタ2bと、ここから照射される各色の光束7
1R、71Gまたは71Bを、直角に反射可能なビーム
スプリッタ3とを備えている。
タ3の光路上には、光束を平行化して導くコンデンサー
レンズ2cと、たとえばS偏光の光束のみを通す偏光板
7が配置されている。そして、偏光された各色の光束7
1R、71Gまたは71Bは、ビームスプリッタ3で垂
直に光スイッチングデバイス4に反射される。光スイッ
チングデバイス4は光スイッチング素子が2次元に配置
されており、各々がオンオフして画像を形成する。ビー
ムスプリッタ3とデバイス4との間には、1/4波長板
(白色用)8が設置されており、光スイッチングデバイ
ス4でオンオフされた画像を形成する各色の光72R、
72Gまたは72BはP偏光になり、ビームスプリッタ
3を通過する。そして、レンズシステム6に達し、スク
リーン7に投写されてカラー画像が表れる。なお、本例
では、本図および以下の図において、赤色の光71Rが
オンオフされる様子を図示するが、他の緑色の光71G
および青色の光71Bも同様である。また、S偏光およ
びP偏光は逆にしても、もちろん良い。
なわちハーフミラーと反射体とを備えた光スイッチング
素子が2次元に配列された干渉型のスイッチングデバイ
ス4であり、各々の光スイッチング素子を駆動する回路
を内蔵している。したがって、制御機構5から供給され
た画像データφに従って駆動回路が個々の画素を表示す
る光スイッチング素子をスイッチングし、画像表示デバ
イスであるスイッチングデバイス4により変調された表
示光72が出力される。
の概略構成を模式的に示してある。本例の光スイッチン
グデバイス4は、第2の基板となる半導体基板31と、
この半導体基板31に重ねられた第1の基板となるほぼ
透明なガラス基板21とを有し、このガラス基板21の
下方の面(表面)21aに、ハーフミラー22あるいは
ハーフミラー膜22aが形成されている。さらに、その
表面にITOなどの透明導電膜がコーティングされて吸
着防止膜25が形成されている。
(表面)31aに、静電型のアクチュエータ33と反射
体42とが基板31の側(下側)からこの順番で積層さ
れている。アクチュエータ33は2次元に配列されてお
り、また、アルミニウム製の反射体42も、各々の反射
体42がアクチュエータ33により上下方向に駆動され
るように2次元に配列されている。したがって、個々の
反射体42は、個々のアクチュエータ33に連結されて
おり上下に動く。
り、反射体42が機械的に連結された上電極34と、こ
の上電極34と対峙するように基板の表面31aに形成
された下電極35を備えている。上電極34は、弾性部
材としての機能を備えており、電極34および35の間
で静電力(静電吸引力)が働かないときは、弾性力によ
って反射体42を上方に加圧する。また、半導体基板3
1には、これらのアクチュエータ33を駆動する駆動回
路(制御回路)38、さらには必要に応じてメモリなど
が作り込まれている。
半導体基板31と、下側の面21aにハーフミラー22
が形成されたガラス基板21とは、反射体42の反射面
41とハーフミラー22の下面(ハーフミラーの表面)
22aとが向かい合うように組み合わされており、それ
らの距離は基板31の周囲、またはアクチュエータ33
の間に形成され壁39によって一定に保持されている。
さらに、下電極35の周囲には、上方に突き出た形状の
突起50が形成され、上電極34には突起50に対峙す
る位置にディンプル51が形成されており、これらによ
り、上電極34と下電極35との最小距離を正確に確保
するストッパー52が構成されている。このため、上電
極34と下電極35が最も近づいたときに、ハーフミラ
ー22と反射体42とは最も離れて距離d1となるが、
その距離d1が精度良く実現でき、オーバランも防止す
ることができる。一方、半導体基板31とガラス基板2
1との距離は、上電極34と下電極35と離れたとき
に、上電極34のばね弾性で反射面41がハーフミラー
22に密着するような距離に設定されている。このた
め、その位置では、ガラス基板21に入射した光をアル
ミニウム製の反射面41により高い反射率で光をほぼ垂
直に反射することができる。
4は、半導体基板31の上にアクチュエータ33と、反
射体42と、ハーフミラー22を備えた透明基板21と
が積層された構成となっており、半導体基板31に作り
込まれた駆動回路38と、アクチュエータ33と、反射
体42と、これに対面するハーフミラー22によって1
つの光スイッチング素子10が形成されている。さら
に、光スイッチングデバイス4の全体に複数の光スイッ
チング素子10が2次元方向にアレイ状に配置あるいは
集積された形態となっており、各々の光スイッチング素
子が画像を形成する単位である画素に対応させて制御す
ることにより2次元画像を表現できる。
0aはオフ状態であり、図2の右側に示した光スイッチ
ング素子10bはオン状態である。本例の光スイッチン
グ素子10では、駆動回路38により、アクチュエータ
33を構成する電極34および35の間に適当な駆動電
圧が印加されると、アクチュエータ33の下電極35と
上電極34との間で静電力が働き、反射体42が下方向
に駆動される。このため、反射体42の反射面41と、
対面するガラス基板21の上のハーフミラー22とが離
れて距離d1となる。この距離d1は、ハーフミラー2
2により反射された可視光と、反射体42により反射さ
れた可視光とが干渉して弱め合う距離になっており、こ
の状態、すなわち、光スイッチング素子10aの状態が
オフ状態である。
されなくなると、上電極34の弾性によって反射体42
は上方向に駆動される。このため、反射体42とハーフ
ミラー22は密着し、反射面41により反射された光と
ハーフミラー22で反射された光の間には、干渉がない
ので入射光は略そのまま出射される。したがって、光ス
イッチング素子10bの状態がオン状態である。
ス4では、アクチュエータ33に供給される駆動電圧を
制御することにより、各々の光スイッチング素子10を
オンオフすることが可能である。
42とハーフミラー22との距離(光路差)d1を変え
たときの可視領域における各波長(400nm〜700
nm)の強度を示している。
5nmとしたときに、本例の光スイッチングデバイス4
から出射される光の強度であり、図3(b)は、距離d
1を130nm、図3(c)は、距離d1を135nm
としたときの強度である。等色関数を考慮すると、青色
の光の感度が急激に上昇する波長420nmから、赤色
の光の感度が急激に低下する波長620nmの範囲を可
視光CRの範囲とし、この範囲の波長の光を干渉によっ
て強度を十分に下げることができれば、オフ位置で可視
光をオフできると考えてよい。これらの図3(a)〜
(c)から分るように、上記の距離d1(125〜13
5nm)にオフ位置を設定すると、420nmから62
0nmの範囲の波長の光の強度を0.1以下に弱めるこ
とができる。したがって、オン位置で入射された光が全
て反射されると考えると、オフ位置の距離d1を125
nm〜135nmの範囲、すなわち、130±5nmの
範囲とすることによりオンオフのコントラスト比10:
1以上を得ることができる。
距離d1を100nmとしたとき、図4(b)には距離
d1を110nmとしたとき、および、図4(c)には
距離d1を120nmとしたときに本例の光スイッチン
グデバイス4から出射される光の強度を示してある。こ
れらの図から分るように、距離d1が120nmから1
00nmの範囲では、可視光領域CRの光の強度は最高
で0.3程度になる。したがって、この範囲であっても
10:3程度のコントラスト比を確保することができ
る。しかしながら、長波長領域、すなわち赤色側での反
射光の強度が高くなってしまい、10:1程度あるいは
それ以下のコントラスト比を得ることは難しくなる。
1を140nmとした場合を、図5(b)には距離d1
を145nmとした場合を、図5(c)には距離d1を
150nmとした場合に本例の光スイッチングデバイス
4から出射される光の強度を示してある。これらの図か
ら分るように、距離d1が140nm以上になると、可
視光領域CRの光の強度の最高は0.3程度になる。し
たがって、この範囲であっても10:3程度のコントラ
スト比を確保することができる。しかしながら、短波長
領域、すなわち青色側での反射光の強度が高くなってし
まい、10:1程度あるいはそれ以下のコントラスト比
を得ることは難しくなる。
ス4では、オフ位置における反射体42とハーフミラー
22との距離d1を100nmから150nmにするこ
とにより、10:3のコントラスト比を確保することが
できる。一方、距離d1を125nm〜135nmの範
囲に設定することで、コントラスト比を10:1まで高
めることが可能である。したがって、これらのコントラ
スト比が得られれば良い用途においては、本例の光スイ
ッチングデバイス4を単独で使用することにより、画像
を形成したり、それを投影することが可能である。一
方、さらに高いコントラスト比が要求される用途におい
ては、第1の光スイッチングデバイスあるいは光スイッ
チング素子から出力された光を第2の光スイッチングデ
バイスあるいは光スイッチング素子の入力として、さら
にスイッチングするアレンジを採用する。これにより、
コントラスト比を高くすることが可能であり、高コント
ラスト比が要求される用途の画像表示装置にも本発明の
光スイッチング素子およびデバイスを適用することがで
きる。
では、1つのオンオフの位置の組み合わせ、すなわち、
オフ位置の距離d1が1つで、各色の光71R、71G
および71Bをオンオフすることができる。従来の光干
渉型の光スイッチング素子においては、各色の光の波長
λR、λGおよびλBに応じた距離dr、dgおよびd
bをオン位置あるいはオフ位置にしていたのに対し、本
例の光スイッチングデバイスでは、オン位置は距離が
0、すなわち、反射体42とハーフミラー22が密着し
た位置とし、オフ位置における距離d1を上述した範囲
に定めることにより、可視光領域CRの光を一括してオ
ンオフすることができる。
定したとしても、本例の光スイッチングデバイス4は、
全ての光スイッチング素子10のオフ位置d1を、13
0nmを中心に公差±5nm程度の範囲で製造すること
により、設定条件をクリアできる。そして、照明機構2
の側で各色の光を順番に光スイッチングデバイス4に供
給することにより、全ての色の光を同一の条件、すなわ
ち、移動距離d1でオンオフし、マルチカラーの画像を
表示することができる。したがって、本例の光スイッチ
ングデバイスは、干渉型の光スイッチングデバイスであ
りながら、寸法精度は緩やかで良く、高性能の光スイッ
チング素子およびデバイスの歩留まりを向上でき、品質
の良い光スイッチングデバイスを低コストで供給でき
る。
ングデバイス4の製造プロセスの概要を示してある。ま
ず、図6(a)に示すように、予め駆動回路38などが
CMOS回路で作り込まれた半導体基板(第2の基板)
31の表面31aに、アクチュエータ33を製造する。
このプロセスは、図示していないが、シリコンなどの適
当な材質の犠牲層を用いたフォトリソグラフィー技術を
用いて製造できる。たとえば、先ず、基板の表面31a
に電極層(Al膜)をディポジットし、パターニングし
て下電極35とバネを兼ねた上電極34の構造のアンカ
ー部分36を形成する。さらに、下電極35の周囲に、
上電極34のディンプル51に対応する位置に突起50
を形成してストッパーを構成する。そして、不図示の犠
牲層を挟み、この犠牲層の上にバネを兼ねた上電極34
となる層(Al膜)をディポジットする。このAl層を
パターニングして、上電極34およびそれを基板31で
支持するポスト36を形成する。犠牲層の除去はいつの
タイミングでも可能であるが、可動する上電極34を保
護するため、素子分離などの最終段階で除去することが
望ましい。
4に機械的に支持されるようにアルミニウム製の反射体
42を製造する。このプロセスは、アクチュエータ33
に積層するように、上記と同様に犠牲層を用いたフォト
リソグラフィー技術により反射体42を形成することも
可能である。これにより、各画素の単位で反射体42を
アクチュエータ33で上下に駆動する構造が形成され
る。このタイミングで、アクチュエータ33を構成する
ための犠牲層を含めて除去することもできる。なお、図
示していないが、アクチュエータ33および反射体42
を製造するプロセスと同時に、壁39も半導体基板31
の上に製造する。
2の基板である半導体基板31の上に構造物を製造する
工程と前後して、あるいは同時に、図6(c)に示すよ
うに、第1の基板であるガラス基板21にハーフミラー
22を形成するプロセスを行う。このプロセスでは、ガ
ラス基板21の表面21aに、各画素の単位でハーフミ
ラー22を形成する。あるいは、ガラス基板21の表面
21aの全体にわたりハーフミラー22を形成しても良
く、画素あるいは素子単位で駆動する反射体42と組み
合わされることで、画素単位で制御できる光スイッチン
グ素子を構成できる。ハーフミラー22は、例えば、フ
ッ化マグネシウムや氷晶石などの屈折誘電体の1/4λ
の層と、硫化亜鉛などの高屈折誘電体の1/4λの層を
交互に積層することにより形成できる。そして、画素単
位で分離する場合は、エッチングなどの公知の方法を適
用できる。
ミラー膜)22aを含むガラス表面21aに、ITOな
どの透明導電膜を吸着防止用の膜25として設ける。ハ
ーフミラー22の上面22aに反射体42の表面41が
密着する際に、吸着防止層25を挟むことになる。この
吸着防止層25は、反射面41とハーフミラーの表面2
2aを積極的に同電位(GND)にすることが可能であ
る。このため、ハーフミラー22が電気的に浮いている
場合でも、ハーフミラー22の表面22aがチャージア
ップし、このハーフミラーの表面22aと対向する反射
面41とが静電吸着することを防止できる。したがっ
て、反射体42を駆動するためのアクチュエータ33の
消費電力を低減でき、また、反射体42の駆動速度を向
上することができる。ITO層などの吸着防止膜25
は、反射体42の側に設けても良い。
ミラー22が形成されたガラス基板21と、アクチュエ
ータ33および反射体42が形成された半導体基板31
を、ハーフミラーの表面22aと反射面41とが対面す
るように組み合わせる。基板21および31との間隔
は、光スイッチング素子10の周囲に形成された柱39
により、上述したように、アクチュエータ33で反射体
42をオフ位置へ駆動した際にハーフミラー22と反射
体42と間が距離d1となり、オン位置で駆動したとき
に反射体42がハーフミラー22に密着するように設定
する。
ス4では、ハーフミラー22を第1の基板であるガラス
基板21に設け、反射体42を第2の基板である半導体
基板31に設けてある。ハーフミラー22と、反射体4
2とを異なる基板21および31の上に形成することに
より、これらの基板21および31を並列で製造でき、
製造工程を短縮し、また、簡略化できるだけでなく、光
学的な特性も改善できるなどの多くのメリットがある。
すなわち、図8を参考に説明したように、現在提案され
ている光干渉型の装置は1枚の基板上にスイッチング素
子を構成しているために、電極と反射体あるいは半透過
体とを兼ねた構造が要求されている。したがって、製造
工程が複雑になったり、光学的な特性の改善が難しく、
さらに駆動回路を容易には組み込めないといった欠点が
ある。
ス4においては、まず、ハーフミラー22と反射体42
とを別々の基板上に製造できるので、歩留まりが相乗さ
れて悪化することがなく、極めて製造しやすい。そし
て、反射体42を別基板である半導体基板31で支持し
ているので、半導体基板31の上にアクチュエータ33
を積層することが可能となり、アクチュエータ33とし
て静電型に限らず、ピエゾなどのタイプも採用可能とな
る。そして、反射体42およびハーフミラー22が電極
を兼用する必要が無くなるので、これらの両端が基板に
固定されたり、支柱に固定されたりすることがない。し
たがって、スイッチングする間に撓んだり歪んだりする
可能性が非常に低くなり、オフ位置で設定した距離d1
となるように反射体42およびハーフミラー22を制御
できる。このため、本例の光スイッチングデバイス4
は、距離d1の公差も十分に確保できることもあり、所
望の性能の光スイッチングデバイスを歩留まり良く製造
することができる。
対側に位置することになるので、透明基板である必要は
なく、半導体基板として駆動回路を従来の半導体基板を
製造するプロセスで作り込むことができる。また、反射
体42の反射面41が第2の基板31の外面を向き、ま
た、ハーフミラー22の面22aが外側を向くので、吸
着防止膜を塗布するなどの処理がし易いなど、本例の光
スイッチングデバイス4は反射性能の高い光スイッチン
グデバイスとするのに適した構成となっている。このよ
うに、本例の光スイッチングデバイス4は光干渉型であ
りながら、ハーフミラー22と反射体42とを別々の基
板上に構成することにより、光干渉型の光スイッチング
素子の各々の構成を最適化することが可能となってお
り、高性能の光スイッチングデバイス4を低コストで提
供することができる。もちろん、基板(第の基板)31
は、上記の半導体基板に限らず、アクチュエータ33を
支持できる基板であれば、本発明の効果が得られる。
では、各色の波長毎にオンオフの位置を変える必要がな
いので、複数のアレイ状に配置された光スイッチング素
子10を、全て同じで比較的単純な構成で形成できる。
つまり、各色の波長に応じた距離となるように、ハーフ
ミラーと反射体の距離および電極間の距離を複雑に制御
あるいは設計・製造する必要はなく、スイッチングする
光の波長に依存しない構造を採用でき、アクチュエータ
の制御においても光の波長に依存しない条件でオンオフ
できる。この点においても、構造を簡略化でき、さらに
信頼性の高い光スイッチングデバイス4を提供できる。
このため、光スイッチングデバイス4の寸法上の制約を
緩め、製造の容易化を実現でき、量産性のある光スイッ
チングデバイス4を提供できる。
4に対し垂直に光が入射する画像表示装置を例に説明し
ているが、斜めに光が入射して出力される光スイッチン
グデバイスに対しても本発明を適用することができる。
この場合は、その入射および出射光路に沿った距離を上
記のd1の範囲に設定することが望ましい。
ーフィルタ2bを採用し、これにより時分割して所望の
色を光スイッチングデバイス4に照射する例を示してい
るが、これに限られない。例えば、光源部に各色のLE
Dを用いて、各色の光を順番に光スイッチングデバイス
に照射できる照明機構であれば良い。また、単板式に限
らず、同一の構成、すなわち、オフ位置が同じ光スイッ
チングデバイスを3組用いてダイクロイックミラーを用
いた光学系と組み合わせて3板式のプロジェクタを構成
することも可能である。
長が420nm〜620nmの範囲を超えるとコントラ
スト比が悪化する傾向になるので、照明機構2におい
て、白色光を色分離すると共に、ダイクロイックミラー
あるいはプリズムを用いて420nm以下の波長の光
や、620nm以上の波長の光をカットして光スイッチ
ングデバイス4に照射し、コントラスト比を向上させる
ことも可能である。
をアレイ状に並列に配置した例を示しているが、複数の
光スイッチング素子10あるいは光スイッチングデバイ
ス4を用いて、光をシリーズに変調し、コントラスト比
を向上できることは上述した通りである。
は反射型なので、図7に示すように、カラーフィルタ8
1を重ねて配置し、用いて反射型の液晶パネルと同様の
直視型の画像表示装置80を提供できる。そして、液晶
パネルより高速で、高解像度であり、さらに、消費電力
も少ない画像表示装置を提供でき、携帯電話などの表示
パネルとして採用することが可能である。
は、オン位置で反射体と半透過体が密着し、オフ位置で
反射体と半透過体とを可視光領域の光を干渉でオフでき
る距離にしている。特に、オフ位置の距離を130nm
±5nm程度にすることにより、10:1というコント
ラストを実現できる。このため、本発明により、干渉型
の光スイッチングデバイスにおいて、その寸法上の制約
を緩め、製造を容易にでき、信頼性の高い光スイッチン
グデバイスを低コストで提供できる。
ち半透過体と反射体との距離を制御する干渉型の光スイ
ッチングデバイスに関するものであり、半透過体と、反
射体とを異なる基板に形成することにより、歩留まりが
相乗されて製品不良が増加するのを防止することができ
るなどの製造上のメリットを得ることができる。それと
共に、反射体を別基板である半導体基板で支持すること
により、反射体とアクチュエータとしての機能を分離す
ることが可能となり、光学的性能を向上しやすく、さら
に、半導体基板に駆動回路を組み込むことができるなど
の上記にて開示した多種多様の効果を得ることができ
る。このため、本発明により、歩留りの高い、またスイ
ッチングの信頼性も高い光スイッチングデバイスを提供
できる。
プロジェクタ装置の概要を示す図である。
スイッチング素子のオン状態またはオフ状態を示す図で
ある。
離d1が125nm〜135nmの範囲の光スイッチン
グデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示
すグラフである。
離d1が100nm〜120nmの範囲の光スイッチン
グデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示
すグラフである。
離d1が140nm〜150nmの範囲の光スイッチン
グデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示
すグラフである。
セスを模式的に示す図である。
直視型の表示装置の概要を示す図である。
を示す概略図である。
コンデンサーレンズ 3 ビームスプリッタ 4 光スイッチングデバイス 5 制御機構 6 投写レンズ 7 スクリーン 10 光スイッチング素子 21 ガラス基板(第1の基板) 22 ハーフミラー、22a ハーフミラーの表面 25 吸着防止層 31 半導体基板(第2の基板) 33 アクチュエータ 34 上電極 35 下電極 38 駆動回路 39 壁(支柱) 41 反射面 42 反射体 50 ストッパー 71 入射光 72 出力される表示光
Claims (32)
- 【請求項1】 半透過体と反射体との距離を変えること
により前記半透過体に入射した光をオンオフ可能な光ス
イッチング素子であって、 前記反射体が前記半透過体に密着するオン位置と、前記
反射体が前記半透過体から所定の距離だけ離れるオフ位
置とに移動する光スイッチング素子。 - 【請求項2】 請求項1において、前記オフ位置では、
前記反射体と前記半透過体との間の光路に沿った距離が
100nmから150nmの範囲となる光スイッチング
素子。 - 【請求項3】 請求項1において、前記オフ位置では、
前記反射体と前記半透過体との間の光路に沿った距離が
125nmから135nmの範囲となる光スイッチング
素子。 - 【請求項4】 請求項1において、前記半透過体の前記
反射体と接する側、または前記反射体の前記半透過体と
接する側に吸着防止層が形成されている光スイッチング
素子。 - 【請求項5】 請求項1において、前記反射体を前記オ
ン位置およびオフ位置に移動するアクチュエータを有す
る光スイッチング素子。 - 【請求項6】 請求項5において、前記アクチュエータ
は静電型である光スイッチング素子。 - 【請求項7】 請求項6において、半導体基板を有し、
この半導体基板に前記アクチュエータが積層されている
光スイッチング素子。 - 【請求項8】 請求項6において、前記アクチュエータ
は、第1および第2の電極を備えており、これら電極の
最小間隔を設定するストッパーが形成されている光スイ
ッチング素子。 - 【請求項9】 請求項1に記載の複数の光スイッチング
素子が2次元に配置されている光スイッチングデバイ
ス。 - 【請求項10】 請求項1に記載の複数の前記光スイッ
チング素子が、第1の前記光スイッチング素子の出射光
が第2の前記光スイッチング素子の入力となるように直
列に配置されている光スイッチングデバイス。 - 【請求項11】 請求項9において、前記半透過体が形
成された第1の基板と、前記反射体およびこの反射体を
前記オン位置およびオフ位置に移動するアクチュエータ
とが重ねて形成された第2の基板とを有する光スイッチ
ングデバイス。 - 【請求項12】 請求項11おいて、前記第2の基板は
半導体回路を備えている光スイッチングデバイス。 - 【請求項13】 請求項11において、前記アクチュエ
ータは静電型である光スイッチングデバイス。 - 【請求項14】 請求項11において、前記半透過体お
よび反射体の距離が一定の値以外にならないようにする
ストッパーを備えている光スイッチングデバイス。 - 【請求項15】 請求項9に記載の光スイッチングデバ
イスと、カラーフィルタとを有する直視型の画像表示装
置。 - 【請求項16】 請求項9に記載の光スイッチングデバ
イスと、 この光スイッチングデバイスに各色の光を順番に供給す
る照明機構と、 前記光スイッチングデバイスから出力された光をスクリ
ーン上に投影するレンズとを有する画像表示装置。 - 【請求項17】 請求項16において、前記照明機構
は、白色光を照射する光源と、この白色光を時分割する
カラーフィルタとを備えている画像表示装置。 - 【請求項18】 請求項16において、複数の前記光ス
イッチングデバイスを有し、第1の前記光スイッチング
デバイスから出射された光が第2の前記光スイッチング
デバイスの入射光となるように配置されている画像表示
装置。 - 【請求項19】 半透過体と反射体との距離を変えるこ
とにより前記半透過体に入射した光をオンオフ可能な光
スイッチング素子の製造方法であって、 第1の基板に前記半透過体を形成する第1の工程と、 第2の基板に前記反射体と、反射体をオン位置およびオ
フ位置に移動する複数のアクチュエータとを重ねて形成
する第2の工程と、 前記半透過体と前記反射体とが対面し、前記オン位置で
は、前記反射体が前記半透過体に密着し、前記オフ位置
では、前記反射体が前記半透過体から所定の距離だけ離
れるように前記第1および第2の基板を組み立てる第3
の工程とを有する光スイッチング素子の製造方法。 - 【請求項20】 請求項19において、前記第3の工程
では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
との間の光路に沿った距離を100nmから150nm
の範囲とする光スイッチング素子の製造方法。 - 【請求項21】 請求項19において、前記第3の工程
では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
との間の光路に沿った距離を125nmから135nm
の範囲とする光スイッチング素子の製造方法。 - 【請求項22】 請求項19において、前記第1の工程
では、前記反射体に面する側に吸着防止層を形成する光
スイッチング素子の製造方法。 - 【請求項23】 請求項19において、前記第2の工程
では、静電型の前記アクチュエータを形成する光スイッ
チング素子の製造方法。 - 【請求項24】 請求項23において、前記第2の工程
では、前記アクチュエータの第1および第2の電極の最
小間隔を設定するストッパーを形成する光スイッチング
素子の製造方法。 - 【請求項25】 請求項19おいて、前記第2の基板は
半導体基板であり、前記アクチュエータの駆動回路を備
えている光スイッチング素子の製造方法。 - 【請求項26】 半透過体と反射体との距離を変えるこ
とにより前記半透過体に入射した光をオンオフ可能な光
スイッチング素子が2次元に配置された光スイッチング
デバイスの製造方法であって、 第1の基板に複数の前記半透過体を形成する第1の工程
と、 第2の基板に複数の前記反射体と、各々の反射体をオン
位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエータと
を重ねて形成する第2の工程と、 前記半透過体と前記反射体とが対面し、前記オン位置で
は、前記反射体が前記半透過体に密着し、前記オフ位置
では、前記反射体が前記半透過体から所定の距離だけ離
れるように前記第1および第2の基板を組み立てる第3
の工程とを有する光スイッチングデバイスの製造方法。 - 【請求項27】 請求項26において、前記第3の工程
では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
との間の光路に沿った距離を100nmから150nm
の範囲とする光スイッチングデバイスの製造方法。 - 【請求項28】 請求項26において、前記第3の工程
では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
との間の光路に沿った距離を125nmから135nm
の範囲とする光スイッチングデバイスの製造方法。 - 【請求項29】 請求項26において、前記第1の工程
では、前記反射体に面する側に吸着防止層を形成する光
スイッチングデバイスの製造方法。 - 【請求項30】 請求項26において、前記第2の工程
では、静電型の前記アクチュエータを形成する光スイッ
チングデバイスの製造方法。 - 【請求項31】 請求項30において、前記第2の工程
では、前記アクチュエータの第1および第2の電極の最
小間隔を設定するストッパーを形成する光スイッチング
デバイスの製造方法。 - 【請求項32】 請求項26おいて、前記第2の基板は
半導体基板であり、前記アクチュエータの駆動回路を備
えている光スイッチングデバイスの製造方法。
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