JP3258029B2 - 超大集積空間光変調器用の位相変調微細構造 - Google Patents

超大集積空間光変調器用の位相変調微細構造

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JP3258029B2 JP50225498A JP50225498A JP3258029B2 JP 3258029 B2 JP3258029 B2 JP 3258029B2 JP 50225498 A JP50225498 A JP 50225498A JP 50225498 A JP50225498 A JP 50225498A JP 3258029 B2 JP3258029 B2 JP 3258029B2
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    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は光弁のための超大集積空間光変調器に関す
るもので、特に構造上に入射した光の位相変調のための
位相変調構造に関するものである。
光弁に用いられる空間光変調器はときには所謂シュリ
ーエン・イメージ・システムに関連して用いられて、半
導体ウエファーの投射や直接曝露に応用されてきた。電
子的なイメージ情報は対応する光線の位相変調（空間光
変調器による）に変換される。シュリーエン・イメージ
・システムはついでこの光線の位相変調を観察板上の光
度変動に変換する。これには例えば非変調光線は阻止し
て、空間光変調器の変調された部分に入射した光の通過
のみを許すのである。
変調された光が観察板に到達するモードをポジティブ
モードという。非変調光のみが観察板に到達し変調光が
阻止されるようにシュリーエン・イメージ・システムが
構成されている場合には、全体の曝露構造は所謂ネガテ
ィブモードで作用する。
この発明の応用分野の理解を容易とすべく、以下に公
知の空間光変調器を利用してシュリーエン・イメージ・
システムについて簡単に説明する。公知の曝露手段はWO
91/17483号に開示されている。
しばしばレーザーの形で与えられる光源は光線拡大光
学システムおよび焦点光学システムを介して光線をバー
ミラー機構に送信する。この光線はシュリーレンレンズ
によって空間光変調器上に反射される。変調器の画素が
アドレスされるか否かに応じて、変調から反射された光
線は、シュリーレンレンズを通って再びバーミラー機構
上に反射されるか、シュリーレンレンズを通って投射レ
ンズ手段に到達し、観察板上に光線のイメージを形成す
る。この観察板には例えば曝露されるべきウエファーが
配置される。
以上の述べたように、シュリーエン・イメージ・シス
テム全体としては、空間光変調器によって変調さらた光
線のイメージを観察板上に形成することができる。これ
はポジティブモードである。また光学SHシステムは変調
器に処理されなかった光線のイメージを観察板上に形成
することもできる。これはネガティブモードである。こ
こでは変調さらた光線は観察板により阻止され、例えば
光源に戻り反射される。
WO91/17483号に開示された曝露装置が利用している空
間光変調器は、シュリーレンレンズに向かう方向で反射
面（例えば金属フィルムである）において終わっている
粘弾性制御層にを含んでいる。この変調器はさらに所謂
活性アドレス・マトリックスを含んでおり、このマトリ
ックスはMOSトランジスターの一体的な集積構造から構
成されたものであり、活性CMOSマトリックスとも呼ばれ
ており、制御電極対を有している。光変調器の反射面の
各画素または表面部分は１個以上の電極対っを備えた２
個のトランジスターを有しており、各トランジスターは
粘弾性層よびその反射面とともに１以上の格子期間の回
析格子を構成している。
論文“Deformation behavior of thin viscoelastic
layers used in active−matrix−addressed spatial l
ight modulater、SPIE、vol.1018、Electro−Optic and
Magneto−Optic Materials"（1988）に記載されている
ように、0.1μｍの範囲の粘弾性制御層の変形振幅のた
めには少なくとも約±10ボルトの電圧が必要である。か
くした活性マトリックスのトランジスターは少なくとも
20v以上のピーク対ピーク電圧にたえなければならな
い。しかし従来のMOS成分の多くは12vの最大作用電圧し
か有していないのである。したがって低価格のCMOS成分
を従来のそのような光変調器に用いることはできない。
代りに粘弾性層を備えた公知の光変調器は、充分な破壊
電圧を得るためには、特別にドープされたトランジスタ
ーを必要とするのである。
USP4728185号に開示された空間光変調器は多数の電気
的にアドレス可能な微視力学的なレバーバーからなる反
射面を有している。
JPA−4350819号には、良好な再現性と制御性とを具え
た位相差を生み出す可変位相板が開示されている。この
可変位相板は層状の内部誘電体を有しており、これが外
部誘電体の対応寸法の孔中に弾性材料によって取り付け
られている。内部誘電体の両主面は第１と第２の電極に
より被覆されており、外部誘電体の両主面も第１と第２
の電極により被覆されている。電極は光伝達性の導体層
であって、それに電位を印加することができる。
特定の差動電圧が内部誘電体に取り付けられた電極に
印加されると、内部誘電体の厚さが変化する。外部誘電
体上の電極に差動電圧が印加されないかまたは異なる差
動電圧が印加されると、内部誘電体を通過する光線の位
相が外部誘電体を通過する光線の位相と異なったものと
なる。内部誘電体を外部誘電体に連結している弾性材料
は両誘電体の異なる厚さを許容する機能を有している。
DE−AS1291416号はこの発明の請求の範囲の請求項１
がその基盤とするものであるが、光学位相変調器を開示
している。この変調器はレジストレーション帯に取り付
けられた第１の反射電極を有している。この第１の電極
の上方には圧電層が設けられていて、その第１の電極に
離間対向する表面上に第２の透明な電極を有している。
この第２の電極は光線の入射方向に透明な基材により被
覆されている。レジストレーション帯により第１の電極
の異なる部分に電圧を印加すると、それに対応する態様
で圧電層の一部の厚さが変化する。電圧が印加された圧
電層を通過して第１の電極により反射されて圧電層の上
記部分を通過する光線の位相は、異なる電圧が印加され
た圧電層の異なる部分を通過して第１の電極により反射
されて該異なる部分を通過する光線の位相とは、異なっ
ている。これはなぜかと言うと、異なる電圧が印加され
た圧電層の部分の厚さが互いに異なるからである。
USP4660938号は透明な電極上に形成された回折格子を
有した光弁を開示しており、特定波長の光線（個々の回
折格子バー間の光線を通過する）の光路長が回折格子を
通過する光線の半波長に対して奇数差をなすように、回
折格子の溝の深さを設定する。透明な電極に対向して追
加の透明な電極が設けられており、２個の電極の間の空
間には空気と透明な液体がある。
２個の電極に電圧が印加されると、電界が形成されて
液体を回折格子バー間の空間中に惹きつけ、それにより
それらの空間を通過する光線の光路長を変化させる。回
折格子バーを通る光線と回折格子バー間の空間を通る光
線の光路長の当初の差異が変更されたから、隣接する光
線の解消はもうなく、光線は回折格子構造中を通過でき
るのである。かくして、電が印加されないときには光弁
は実質的に光線を伝達しない。電圧が印加されると、液
体が異なる態様で配列されるので、光線は構造を通って
伝達される。
USP3560955号には負荷にさらされたときに複屈折を表
示できる等方性の透明材料の層を有した光学的要素が開
示されている。この負荷は実質的に均一な態様で層上に
分散された複数個の負荷発生要素により生成されるもの
であり、該負荷発生要素は電気ひずみおよび磁器ひずみ
材料を含んでおり、それに所定量の負荷を制御可能に印
加する印加手段に効果的に接続されている。負荷状態で
複屈折を表示する等方性材料は偏光スクリーンと分析ス
クリーンとの間に配置されている。また両スクリーンの
間およびに等方性材料に隣接して、電気ひずみ変換バー
が設けられており、その２側部は電流導通性の薄い金属
被覆によりコーチングされて電極を構成しており、これ
に電圧が印加されると変換バーが変形する。これにより
等方性材料に負荷を印加して複屈折性にする。すると分
析スクリーンを通って伝達された光線の色が変化する。
GB1596649号には位相変調のための手段が開示されて
いる。この手段は光線が通過する２個の光線伝達端部を
具えた水晶結晶を含んでいる。水晶結晶上の端部の脇に
は２対の電極が設けられている。電極に適当な電圧が印
加されると、水晶結晶が振動して屈曲し、そこを通過す
る光線に位相変調を施す。
この発明の目的は光線の位相変調のための位相変調構
造およびそれよりなる空間光変調器を提供することにあ
る。
かかる目的は請求の範囲の請求項１および請求項10に
記載の発明により達成されるものである。
コンデンサーの容量が最大に達したかまたはコンデン
サーの空気容量が誘電体により満たされる（以下図1a、
1bにより詳細に説明するように）までに電圧を印加され
たコンデンサーのフィールド領域に誘電体が惹かれる効
果を利用するものである。
特にミラー上の液状誘電体を用いることにより、この
発明の位相変調構造上に入射する光線の位相変調を小さ
な電圧で充分なものとすることができる。しかしてCMOS
マトリックスの助けを借りて、この発明の位相変調構造
を利用して空間光変調器を制御することが可能となる。
CMOS成分は高価でなく、電力消費量も低く、超大集積化
することができるのである。
この発明の他の利点は、特定の位相変調を生じるのに
必要な電圧が小さく構造のサイズも小さいことである。
例えばこの発明によった超大集積光弁の熱動力発散は小
さく、サイズが小さいので同時に小さい電圧を制御する
のに小さなトランジスターを用いることができる。すな
わちこの発明はサイズという概念において利益がある。
さらにCMOSアクティブ・マトリックスに関連してこの
発明による位相変調構造は、空間光変調器の極端なる小
型化を可能とし、これにより極端に微細な画素領域と同
時に極端に高い画素数（106〜109）が可能となる。画素
を通して得られる位相変調は好ましくは０〜πの範囲で
あるが、より大なる位相変調も可能である。
空間光変調器の微少化は、例えば半導体ウエファーの
直接曝露および複雑で高損失な光学的構造などがなくな
るので、有利である。なぜならば、達成可能な空間光変
調器の寸法（例えば曝露されるべきウエファー）がすで
にオーダーに組み込まれ得るからである。
以下添付の図面によりこの発明の実施例をさらに詳細
に説明する。
図1aおよび図1bはこの発明による位相変調構造の効果
を示すグラフであり、 図２は直交光入射の場合の光線の位相変調の生成を示
すものであり、 図３はこの発明の第１の実施例による位相変調構造列
の平面図であり、 図４は図３の位相変調構造列の断面図であり、 図５はこの発明の第２の実施例による位相変調構造列
の平面図であり、 図６は図５の位相変調構造列の断面図であり、 図7aと図7bは図５の位相変調構造列の作用モードを示
すものであり、 図８は位相変調構造列の上方に配置された修正レンズ
機構の効果を示すものであり、 図９はこの発明の第３の実施例による位相変調構造列
の平面図であり、 図10は図９の位相変調構造列の断面図であり、 図11はこの発明の第４の実施例による位相変調構造列
の平面図であり、 図12aは図11の位相変調構造列の断面図であり、 図12bは図11の位相変調構造列のさらなる断面図であ
る。
コンデンサーの容量が最大に到達するか、または可能
な限り大なる程度までコンデンサーが誘電体により満た
されるまで、誘電体がコンデンサーのフィールド領域の
方に惹かれるという効果に、この発明は立脚するもので
ある。これを図1aと図1bに示す簡単な構造により以下説
明する。
図1aと図1bに容器10と板コンデンサー12とを示す。コ
ンデンサーの２枚の板の間の距離を「ｄ」で示す。図1a
においてコンデンサーには電圧は印加されてない（Ｕ−
０）。容器中には液状誘電体14が収容されており、コン
デンサーの板と板外では同じ液位を有している。液体の
表面張力と毛細管現象の故に、コンデンサーの２枚の板
と容器の壁においてのみ、誘電体の液位は若干上がって
いる。
コンデンサー12の電極に制御電圧USが印加されると、
上記の効果によりコンデンサー板間の液位は重力に抗し
て毛細管現象（図1a）による液位の上方に上がる。印加
電圧が０である場合と印加電圧がUSである場合との液の
差異をΔｈで示す。これは液状誘電体の場合だけ起こる
効果ではなく、固体状または気体状誘電体においても起
きるものである。
下記に示す例は数値によりオーダーを示すものであ
る。例えば、液状誘電体14として密度が約1g/cm3で誘電
率εｒが約2.5のがシリコンオイルを用いた場合には、
コンデンサー板間距離が25μｍで印加電圧が1Vなら、コ
ンデンサー板間の液位は約１μｍ上昇する。一般的に言
うと、液の差異はU2/d2に比例する。ここでｄはコンデ
ンサー板間距離であり、Ｕはコンデンサー板における電
圧である。
図２に液状誘電体の液位変化による位相変調の行われ
方を示す。図２において誘電体14の下方に設けられたミ
ラー16は屈折率がn1である。誘電体14の上方には屈折率
n0の異なる誘電体18が設けられており、例えば空気など
である。図２の左半分は図1aに相当する。すなわち誘電
体14中には誘電場が存在しない。また右半分は図1bに相
当し、誘電体14中の誘電場の故に誘電体の液位が上昇し
ている。
ほぼ直交状態で衝突する２本の光線20a、20bを比較す
る。これらの光線は部分的に異なる液位で伝達して、地
点ＥおよびE'においてミラー16により反射され、その後
逆行して屈折率n1、n0の誘電体とを通過する。ＡからＢ
へおよびA'からB'への途中で２本の光線は液位差Δｈの
故に異なる光路をたどる。この光路の差異はそれ自身２
本の光線20a、20bの位相差において下記のように示され
るものである。
ΔΦ＝４π・（n0−n1）・Δh/λ この式において、λは入射光線の波長を示す。n1＝1.
4の液体（例えばシリコン・オイル）を用いると、位相
変調π（すなわちλ/2）には液位差Δｈ＝λ/1.6が必要
となる。換言すれば、誘電体14中に存在する電界は上記
の効果の故に光線の光路を延長するのである。したがっ
て図1a、図1bに示す構成によれば電圧に応じて入射光線
の位相を変調することが可能である。
図３に上平面図に示すのはこの発明の第１の実施例の
空間光変調器30であって、図４はそれを図３中で線Ａ−
Ａに沿って取った断面図である。ここで「上平面」とは
その方向から光線が変調器30上に衝突する側をいうもの
である。すなわち図３中において光線は上側から紙面に
衝突する。構造30の上面とは光線32が衝突する面をい
う。
図３および図４に示すように、変調30は複数個の位相
変調構造34から構成されており、各位相変調構造は変調
器30の個々の画素を画定している。各位相変調構造34の
概要を図３に示す。図中破線は変調器30の構成には関係
なく、構造34を表示するのみである。
以下図４により各位相変調構造34を説明する。入射光
線32はまず液状誘電体36に衝突する。この誘電体36はミ
ラー40上の薄い誘電体層38上に配置されている。この実
施例にあっては、ミラー40と電極41（ミラー電極ともい
う）とは一体に構成されており、ミラー40は電極41の適
当な表面により与えられる。しかしミラー40と電極41と
は別体であってもよい。
ミラー電極41と金属電極42（これは制御電極とも言わ
れる）との間には固体状の誘電体44が設けられており、
ここで制御電極42とミラー電極41と固体状誘電体44とは
緩衝コンデンサー46を構成し、その単位長当たりの容量
は固定誘電体44の厚さと誘電率とにより調節することが
できる。
制御電極42は基材48上に設けられており、該基材は例
えばCMOSアクティブ・マトリックスであってもよく、か
つ変調器30の制御電極42をアドレスできるものである。
変調器は位相変調構造34の列により構成され、必要な制
御電圧を光学的に持ちかつ充分な解像度を有している。
実質的に方形の制御電極（その縁部は図３中の位相変
調構造34の破線を若干越えている）はその中央にタング
ステンなどの導電性の材料からなるピン50を有してい
る。このピン50はミラー電極41とミラー40中の孔52を通
って延在している。この孔52は図３中では実質的に方形
であるが、円形など他の形状でもよいことは自明であ
る。またピン50は制御電極42と導電的に接続されてお
り、固体状誘電体44および薄い誘電体層38によりミラー
電極41から電気的に隔離されている。
偏光された誘電体44とその上に配置されてミラー電極
41を構成する金属層の故に、平面性が高くかつ反射性が
高いミラー面が得られた。すでに指摘したように、薄い
誘電体層38は制御電極42（すなわちピン50）をミラー電
極41から隔離する。また例えば制御電極42と対向するミ
ラー電極４の領域を湿潤しかつ液状誘電体からミラーを
化学的に分離する。これにより全体の耐腐食性が改良さ
れる。制御電極42は誘電体で被覆してもよい。
液状誘電体36は薄い誘電体層38上方の空間中に配置さ
れている。誘電体36の表面張力により、ミラー40とミラ
ー電極41と誘電体層38と制御電極42（つまりピン50）か
らなるシステムに関連するその密度および湿潤性は調整
または最適化することができる。また不動態化により液
状誘電体35の表面形状も調整または最適化することがで
きる。液状誘電体の光学的に理想的な状態は、位相変調
構造34に電圧が印加されないときに、ミラー40の領域を
均質なレベルの液状誘電体36で被覆することにより得ら
れる。誘電体層38は機能化と隔離のためには原理的には
必要ではない。しかしそれを利用して液体による最適湿
潤と液体フィルムの表面の最適化が達成されるのであ
る。
この発明の第１の実施例の空間光変調器30の作用態様
を以下位相変調構造34の作用態様により以下さらに詳し
く説明する。ミラー電極41は好ましくは例えばグランド
電位などの固定電位とする。CMOSアクティブ・マトリッ
クス（位相変調構造34の基材48を構成する）により制御
電極42に電圧USが印加されると、液状誘電体36は制御電
極42（すなわちピン50）とミラー電極41とからなるコン
デンサーの空気で満たされた領域中に惹き込まれる。
図４に示すのはアドレスされたとき（すなわち制御電
極42に電圧USが印加されたとき）の位相変調構造34の状
態である。図４の左右に示すアドレスされない状態の２
個の位相変調構造の液体形状に比べて、位相変調構造34
は変更された液体形状54を呈している。液状誘電体36は
ピン50上に配置されており、ピン50から離間した液体形
状54はアドレスされない状態に比べて液位の減少を示し
ている。位相変調構造は全て相互に独立にアドレス可能
であり、液状誘電体36の液位や位相変調構造の領域など
の全ての作用パラメーターは、隣接する位相変調構造が
相互に影響を及ぼさないように、選択される。
アドレスされた位相変調構造34上に入射した光線32
は、液状誘電体の液位の差またはアドレスされた構造の
液体構造54の故に、アドレスされない位相変調構造上に
入射した光線に対して位相ずれを生じる。制御電極42に
印加されていた電圧USが不活性化すると（すなわちコン
デンサーが放電すると）、液状誘電体36は重力の影響に
よりリセットされ、液位液体形状が実質的に再記憶され
る。
図3,4に示すようなこの発明の実施例はその光学的占
拠レベル（Cccupancy level）が高いことに特徴があ
る。ここで占拠レベルとは画素の全領域に対する光学的
に活性な領域の比を言うものである。この点に関して、
図3,4はサイズを示すものではなく、画素のサイズに比
べてミラー電極を貫通する孔52が顕著に拡大されている
ことを示すものである。好ましき実施例においては、画
素の領域は10x10μm2であり、ピン50の直径は0.8μｍで
あり、円形孔52の直径は1.6μｍである。例えばこの実
施例だと98％の占拠レベルが得られる。3x3μm2のより
小さな画素と0.5μｍのピン50と1.6μｍ直径の孔52であ
る他の実施例にあっては、占拠レベルは89％となる。
第１の実施例の空間光変調器30を示す図３において、
個々の孔52は別として、ミラー40とミラー電極41とは変
調器全体を通して連続した設計である。さらに変調器30
全体の構造（すなわち誘電体層38により被覆されたミラ
ー電極41）は全体が液状誘電体36により被覆されてお
り、ピン50のみが液状誘電体35の実質的に平らな表面か
ら突出している。変調器30が駆動されていないときに
は、これを「島」と言える。
図５（上平面図）と図６（断面図）に示すのはこの発
明の第２の実施例である。図3,4に示す第１の実施例と
ほぼ同じであるが、図６に明らかなように薄い誘電体層
38と固体状の誘電体44を欠いている点で異なる。さらに
ピン50はミラー電極41a,41bの表面から突出してなく、
面一となっている。
第１の実施例に関連して記載したように、この実施例
でもミラー40はミラー電極帯体41a,41bの表面により構
成されている。しかしミラー40はこれらの帯体とは別体
に構成することもできる。基材48と液状誘電体36（この
実施例でもミラー電極40と制御電極42との間の空間中に
延在している）とは図６中では割愛してある。第１の実
施例も誘電体層38および固体状誘電体44なしでよく、ピ
ン50は面一であってもよい。また第２の実施例でも誘電
体層38、固体状誘電体44および突出状ピン50などを設け
てもよい。
同様に図３の空間光変調器56においても個々の位相変
調構造34'は破線で区切って示されている。各破線で画
定してある方形は画素である。各画素（すなわち位相変
調構造）は必ずしも方形であることは必要なく、適宜所
望の形状とすることができる。
図３の構成と異なる点としては、位相変調構造34'の
長手方向に延在する孔52'が設けられているが、つぎの
画素より若干前から始まっている。第１の実施例と比べ
て、図５に示すように孔52'は隣接する孔52'に連続して
いる。この結果図３の構造に連続するミラー電極41は図
５では連続してなくて、ミラー電極41,41bが形成され、
ミラー電極帯体41aが孔52'の右側に位置しており、孔5
2'の右側のミラー電極帯体41bから電気的に隔離されて
いる。ミラー電極41a,41bの表面により構成されるの
で、ミラー40（図５）は図6,8中では参照番号により示
されてない。
第２の実施例の電子的な制御は第１の実施例と同じ手
法で行われる。しかし２個のミラー電極帯体41a,41bが
相互に電気的に隔離されているので、異なる固定または
制御可能な電圧U0＋ΔＵとU0−ΔＵがそれぞれに印加さ
れるようになっている。図４の実施例ではミラー電極帯
体41aは印加電圧U0＋ΔＵをミラー電極41bは印加電圧U0
−ΔＵである。しかしこの逆であってもよい。ピン50に
設けられた制御電圧42の電圧はUSである。ピン50は制御
電極42と一体であってもよい。この電圧は両ミラー電極
帯体のそれの間のレベルである。したがって制御電極42
は電圧振幅２ΔＵにより制御される。
第２の実施例の作用を複数個の位相変調構造34'を示
した図7a,7bに示す。ミラー電極帯体41a,41bに印加され
る電圧U0＋ΔＵ、U0−ΔＵと制御電極に印加される電圧
U0、U0−ΔＵおよびU0−ΔＵとは図中下側に示されてい
る。電極42へのU0＋ΔＵとU0−ΔＵとの間の電圧は適宜
選択できる。各位相変調構造は破線で区画してある。図
7aにおいて上記の電圧状態で起きる電界線58は２個の位
相変調構造34'に示してある。
図7a中左側の位相変調構造34'において全ての電極41
a、42および41bは異なる電位であり、制御電極42の電位
は２個のミラー電極帯体の間にある。制御電極とミラー
電極帯体との電極の差はそれぞれΔＵである。図7a中左
側の位相変調構造34'の上方に液位を示してある。制御
電極42の両側の電圧差がΔＵであるので、最小液位は60
mとなる。図中模型化して示してあるが、実際には急な
液体の変転は連続している。
図7a中の上記の位相変調構造34'の右側にはミラー電
極帯体41bと制御電極42との間には電位差は存在してい
ない。なぜならともに同じ電位U0−ΔＵだからである。
しかし２ΔＵの電圧差がミラー電極帯体41aと制御電極4
2との間に起きるから、全ての電界線58はミラーＤ電極4
1aの左半分に入り、制御電極42とミラー電極帯体41aと
の間の領域の液位は60hと高くなる。ミラー電極帯体41b
と制御電極42との間には電圧差がないので、液状誘電体
36のレベルの効果はなく、ここでは低い液位60nとな
る。
図7a中右側の位相変調構造34'において制御電圧はU0
＋ΔＵである。電界58の分布は上記の場合と同じであ
り、液位は60nと60hである。
電圧振幅ΔＵの制御電圧を示すべく、図7bに３個の隣
接する位相変調構造を示す。ここでは左右の位相変調構
造では電圧状態は変わっておらず、中央の位相変調構造
の制御電圧はU0−ΔＵからU0＋ΔＵに変わっている。こ
の電圧振幅２ΔＵの切換えの反作用として、制御電極42
とミラー電極帯体との間の新たな電圧差に応じて、中央
の位相変調構造上方の液位は反転している。
しかし他の位相変調構造の液位は実質的にこの反転に
よっては影響されない。しかし制御電圧U0を印加するこ
とにより、対応する画素における液位は均一となる。こ
れは第１の実施例で0Vの制御電圧USとなるアドレスされ
ない状態に対応する。しかし制御電圧U0とは異なる制御
電圧が制御電極42に印加されると、対応する画素に液位
60hと60nとが現れる。これに対して位相変調構造34'に
入射する光線32の位相変調では液位60m,60mとなる。
位相形状は電極表面または電極形状の詳細な設計によ
り調整または最適化することができる。例えば、第１の
実施例のピン50のピークのようにしたり、表面特性、湿
潤性その他の液体パラメーターにより調整することがで
きる。
第２の実施例における位相変調はU0xUSd2に比例す
る。第２の実施例において達成される効果は、液状誘電
体35が切り換えられる画素内部でのみ移動し、画素をア
ドレスするのに必要とされる位相形状によってのみ左右
されるという点である。重力に加えて、アドレス作用と
同じ電気力（electric force）により画素のリセットが
有利に行われる。
図9,10にこの発明の第３の実施例を示す。これは第１
（図３）と第２（図５）の実施例とを組み合わせたもの
である。
第１の実施例にあっては、タングステンのピン50に適
宜接続された制御電極42が用いられ、ピンはミラー電極
41とその表面を構成するミラー40とに形成された孔中に
延在している。図１中の縦破線において基準電極50'が
形成されている点が第１の実施例とは異なる。図10に示
すように、この基準電極50'は導電性の帯体、例えばア
ルミニウムなどで形成されている。画素34''は図中破線
で画定されている。図10に示すように、３個のピン50が
最小液位60hを越えて突出している。これらはそれぞれ
の孔52を覆う寸法に設定されている。しかしピン50,50'
の寸法と個数とは重要ではなく適宜変更することができ
る。
ある画素34''から隣接する画素34''へと液位の変動を
得るべく、基準電極Ｄ帯体50'には電圧U0＋ΔＵとU0−
ΔＵとが印加される。制御電圧USは制御電極42に印加さ
れる。これによりピン50には特別の電極が掛かり、この
結果液位は60m、60hおよび60nとなる。ミラー電極40は
固定または制御可能な電位であって、例えばグランド電
位または電位など誘電体36の表面の調整を最適化する電
位である。
この第３の実施例はミラー電極に異なる電圧を印加し
たくないような光変調の場合に適している。これは第１
の実施例の場合も言えるが、第３の実施例の場合には第
２の実施例の場合の利点も有している。すなわち大きな
液位変動と画素反転におけるリセットの改良である。図
示の画素構造は与えられた電圧振幅に関連してよい最大
の位相変調を得るのに適している。
回路の好ましくないエネルギー消費を招く位相格子と
しての全ての電極50,50'の影響を最小にすべく、ピン50
と帯体50'との厚さを調整することにより、非アドレス
状態60mの液位と誘電体38との形状は、ミラー40と金属
電極50,50'上に入射反射される光線が非アドレス状態と
同じ位相変化にさらされるように、選択される。さらに
位相変調の影響は、イメージ形成のための回折方向が寄
生効果による方向と異なるように、抑制される。実施例
1,2においても同様な効果が得られることは明らかであ
る。
液体は別として光り変調器の全ては従来の半導体技術
で製造可能である。液状誘電体36に関しては、密度、光
学的透明度、電気的破壊強度、誘電率、屈折率、温度抵
抗、速度、光抵抗、表面張力および蒸気圧などのパラメ
ーターが重要である。
液体の汚染、損傷および蒸発に対して保護すべく、こ
の発明の光変調器30と帯状空間光変調器56とは水晶板な
どの光学的に透明な窓を用いてシール被覆することがで
きる。
例えば非アドレス状態での位相形状の光学的な修正の
ために、図８に示すように光学的修正体62を変調器30ま
たは56の前に配置するとよい。これにより例えば意図し
ない位相変調を回避したり、光学的に寄生的または不活
性なものの影響を低減することができる。
このために適当な光学的修正体62（画素により必要と
される精度を有した）を画素の面の正確に上方に位置さ
せる必要がある。いかにして液状誘電体36の表面をレン
ズ状の予変形（例えば液状誘電体36の表面張力の毛管現
象により存在する）を光学的修正体62（例えば修正レン
ズ）によりバランスしなければならないかを図８に示
す。このような修正レンズは例えばミクロ技術によりガ
ラス基材から製造されアニオン接着技術により添加され
る。
図11、図12a（図11中線12aに沿って取った断面図）お
よび図12b（同じく線12bに沿って取った断面図）に示す
のは位相変調構造の第４の実施例である。ここには帯状
で相互に交差した（格子状）２個の電極42a、42bが用い
られており、破線は位相変調構造を示す。これらの電極
はほぼ画素の中央で相互作用し、異なる電位を印加する
ことにより交差点近傍には電界が形成される。交差点近
傍の誘電体36はかくして電極が電界を形成する一部領域
を構成する。参照番号34'''は位相変調構造を示すもの
である。
図12aに示すように、変形可能で透明な誘電体（好ま
しくは液状誘電体）は帯状の電極42b（好ましくは固体
状誘電体中に埋設された電極42a上に延在する）を覆っ
ている。水平電極42bは誘電体中に埋設されてもよく、
垂直電極42a（図11）は液状誘電体により覆われてもよ
い。液状誘電体は必ずしも電極42bを覆う必要はない
が、電極よりは低い液位である。全体の構造はミラー40
（構造上に入射した光線がここで反射されて二度固体状
誘電体44と液状誘電体36を通って構造を離れる）により
下方に画定されている。固体状誘電体44は透明でなけれ
ばならない。
図12bは図11の実施例のものの他の断面を示すもの
で、電極43bは切欠き状にして、いかにして光線32が構
造上に入射して液状誘電体32と固体状誘電体44とを通過
してミラー40で反射するかを示してある。電極42aには
電圧U0が、電極42bには電圧USがそれぞれ印加されてい
る。図12a、12bは電圧USが０であって液状誘電体36の表
面がレベルである状態を示している。電圧USの場合に
は、液状誘電体の形状は図４と同じとなる。すなわち帯
状電極の交差点近傍で液位が増加する。その他の点では
全て前記のものと同じである。
この発明の空間光変調器はウエファーの直接曝露に限
らず、投射器ディスプレイ、ホログラフ・ディスプレ
イ、プログラム可能なレンズ、格子、光学的修正、コン
ピューターおよびヘッドアップ・ディスプレイなどにも
応用できる。光学的透明度とは使用される光線に対する
透明度であり、その波長は可視範囲に限定されるもので
はない。応用いかんでは赤外線または紫外線も同様に使
用できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キュック，ハインツ ドイツ国 デー―01465 ランゲブリュ ック，ドレスドネル シュトラーセ 28 (72)発明者 クンツェ，デットレフ ドイツ国 デー―01097 ドレスデン, ハオプトシュトラーセ 48 (56)参考文献 米国特許3001447（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 26/00 - 26/08

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数個が列設されて印加電圧により影響さ
    れる画素からなるイメージを形成する空間光変調器（3
    0;56;30'）を構成する光線の位相変調構造であって、 CMOSアクティブ・マトリックスを有する基材上に設けら
    れてイメージの各画素に対応し、 ミラー（40）とミラー上に設けられた変形可能な透明誘
    電体（36）と少なくとも２個の電極（41;42;41a,41b,4
    2;50,50'）とを有してなり、 該電極は印加電圧により誘電体の少なくとも一部領域に
    電界を発生して対応する画素に影響を及ぼして、これに
    より誘電体を通る光線の光路長を変化せしめ、 誘電体は、その電界が発生した領域を、電極に至る前の
    光線が通過するように配置されている ことを特徴とする光線の位相変調構造。
  2. 【請求項２】光線（32）が入射する電極（41;41a,41b）
    の表面によりミラー（40）が構成される ことを特徴とする請求項１に記載の構造。
  3. 【請求項３】変形可能な透明誘電体（36）が液状誘電体
    である ことを特徴とする請求項１または２に記載の構造。
  4. 【請求項４】変形可能な透明誘電体（36）が層タイプで
    ある ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかひとつに記載
    の構造。
  5. 【請求項５】層タイプ誘電体（36）がミラー（40）に平
    行に配置されている ことを特徴とする請求項４に記載の構造。
  6. 【請求項６】一方の電極（41;41a,41b）とミラー（40）
    とが孔（52;52'）を有してその中に他方の電極（42）の
    少なくとも一部（50;50'）が位置しており、 該電極（41,42;41a,41b,42）が誘電体（36）により相互
    に電気的に隔離されている ことを特徴とする請求項５に記載の構造。
  7. 【請求項７】前記他方の電極（42）の一部（50;50'）が
    孔（52;52'）を通って一方の電極（41;41a,41b）を越え
    てかつ誘電体（36）を通って延在している ことを特徴とする請求項６に記載の構造。
  8. 【請求項８】一方の電極（41;41a,41b）と他方の電極
    （42）との間に固体状の誘電体（44）が設けられてお
    り、これが２個の電極（41,42;41a,41b,42）とともに緩
    衝コンデンサー（46）を構成する ことを特徴とする請求項６または７に記載の構造。
  9. 【請求項９】前記の孔が連続孔（52'）であって、これ
    により相互に隔離されたミラー電極帯体（41a,41b）が
    形成される ことを特徴とする請求項に記載の６〜８のいずれかひと
    つに記載の構造。
  10. 【請求項１０】請求範囲１〜９のいずれかひとつに記載
    の同一または異なる構造（34;34';34''）の複数個が列
    状に配置されている 空間光変調器。
  11. 【請求項１１】請求範囲10に記載の同一または異なる構
    造（34;34';34''）の複数個が表面上に適宜配置されて
    いる ことを特徴とする請求項10に記載の変調器。
  12. 【請求項１２】複数個の構造（34;34',34''）の他方の
    電極（42）が相互に電気的に隔離されている ことを特徴とする請求項10または11に記載の変調器。
  13. 【請求項１３】請求項８〜10のいずれかひとつに記載の
    構造（34）の一方の電極（41）とミラー（40）とが連続
    した設計である ことを特徴とする請求項10〜12のいずれかひとつに記載
    の変調器。
  14. 【請求項１４】請求項11に記載の複数個の構造（34'）
    の一方の電極（41）とミラー（40）とが一方の列方向の
    みの連続設計であって、延在している孔（52'）によっ
    て他方の列方向に分離されている ことを特徴とする請求項10〜12のいずれかひとつに記載
    の変調器。
  15. 【請求項１５】ミラー電極帯体（40a,40b）には電圧（U
    0＋ΔU,U0−ΔＵ）が交番的に印加され、該電圧が基準
    値（U0）について対称である ４ことを特徴とする請求項13に記載の変調器。
  16. 【請求項１６】画素（34''）の少なくとも２個の境界に
    おいて、連続状の電極帯体（50'）が形成され、隣接す
    る電極帯体（50'）には異なる電圧が印加される ことを特徴とする請求項10〜12のいずれかひとつに記載
    の変調器。
  17. 【請求項１７】透明な保護窓が複数個の構造（34;34';3
    4''）上に設けられている ことを特徴とする請求項10〜16のいずれかひとつに記載
    の変調器。
  18. 【請求項１８】複数個の構造（34;34';34''）上に光学
    的修正体（62）が設けられている ことを特徴とする請求項10〜17のいずれかひとつに記載
    の変調器。
  19. 【請求項１９】それぞれが格子状に配置された２組の帯
    体状電極（42a,42b）と１組の平行電極（42a）とが、他
    の組の平行電極（42b）から、固体状誘電体（44）によ
    り電気的に隔離されている ことを特徴とする請求項10に記載の変調器。
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