JP3800288B2 - 光変調デバイス及び表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミラーの変形によって入射光を変調して表示を行うための光変調デバイス及び表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光を変調して表示を行うための光変調デバイスとしては、例えば、基板上に設けた電極に電圧を印加し、その吸引力等によってミラーを傾斜させて入射光を変調させるものや、圧電体層を一対の電極膜で挟持した圧電素子上にミラーを設け、圧電素子を変形させることによりこのミラーを傾斜させて入射光を変調させるもの等が知られている。
【0003】
また、圧電素子を利用したものとしては、特表平9−504387号公報に見られるように、片持ち梁状の圧電素子の表面に薄膜等からなるミラー膜を形成し、圧電素子を変形させることによりこのミラー膜を屈曲させて入射光の方向を変えるものも提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような圧電素子を利用した光変調デバイスは、何れにしても、圧電素子の長手方向一端部を支持した片持ち梁状の構造であり、この構造の場合、圧電素子をその長手方向に沿った一方向のみに変形させることで光の方向を変えて変調するため、変調性能が低いという問題がある。
【0005】
また、静電吸引力等によってミラーを傾斜させる光変調デバイスでは、デジタル的にミラーをON、OFFするため、高階調な画像を得ることが難しいという問題がある。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑み、反射面の曲率変化を大きくして集光性能を向上させると共に変調性能を向上した光変調デバイス及びそれを用いた表示装置を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、圧電体層及びこれを挟持する第1及び第2の電極からなる圧電素子を有すると共に光を反射するミラー膜構造を有するミラー要素と、該ミラー要素に対応して設けられた駆動素子とを有する光変調デバイスにおいて、前記圧電素子は、前記ミラー要素の厚さ方向に貫通した貫通孔を少なくとも2つ有し、前記第1及び第2の電極は、それぞれ前記貫通孔を介して基板上まで延設されると共に前記ミラー要素を前記基板上に支持する第1及び第2の延設部を具備することを特徴とする光変調デバイスにある。
【0008】
かかる第1の態様では、ミラー要素を構成する圧電素子が第1及び第2の延設部によって支持され、ミラー要素の外縁部全体が固定されていないため、圧電素子の変形効率が向上する。
【0009】
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記第1及び第2の延設部は、その少なくとも一部が前記圧電素子の平面方向とは交差する方向に延設されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0010】
かかる第2の態様では、ミラー要素が基板との間に空間を保持した状態で基板表面に支持される。
【0011】
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記ミラー膜構造には前記貫通孔と連通する連通孔が外縁部から独立して設けられていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0012】
かかる第3の態様では、ミラー膜構造は、連通孔以外の部分が光を有効に反射する。
【0013】
本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様において、前記第1及び第2の延設部が、前記ミラー要素の一方の対角線に対して線対称にそれぞれ一つずつ設けられ且つ中央近傍に配置されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0014】
かかる第4の態様では、圧電素子が略中央部を支点として凹面に変形する。
【0015】
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様において、前記圧電素子の前記圧電体層に電圧を印加することにより、前記貫通孔の間の領域を支点として前記ミラー膜構造が変形され、当該ミラー膜構造に入射する光が変調されることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0016】
かかる第5の態様では、圧電素子の駆動による曲率変化が大きくなるため、ミラー膜構造に入射する光の集光性能を向上させることができる。
【0017】
本発明の第6の態様は、第1〜5の何れかの態様において、前記第1及び第2の延設部が、前記駆動素子に電気的に接続されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0018】
かかる第6の態様では、第1及び第2の延設部によって圧電素子と駆動素子とが電気的に接続されるため、配線構造が簡略化される。
【0019】
本発明の第7の態様は、第1〜6の何れかの態様において、前記第1及び第2の延設部は、パターニングされた犠牲層上に前記第1及び第2の電極を成膜することにより形成されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0020】
かかる第7の態様では、犠牲層を用いることにより、第1及び第2の延設部を容易に形成することができる。
【0021】
本発明の第8の態様は、第1〜7の何れかの態様において、前記圧電素子の前記基板側の面には、弾性板を有すると共に他方面側には、前記ミラー膜構造を有することを特徴とする光変調デバイスにある。
【0022】
かかる第8の態様では、圧電素子の一方面側に設けられた弾性板側に第1及び第2の延設部が延設されているため弾性板側を支点として圧電素子が変形し、他方面のミラー膜構造が変形する。
【0023】
本発明の第9の態様は、第8の態様において、前記圧電素子の前記ミラー膜構造は、前記他方面側の前記第2の電極又はこの上に設けられた反射膜から構成されることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0024】
かかる第9の態様では、圧電素子の第2の電極又は反射膜が光を反射する。
【0025】
本発明の第10の態様は、第1〜9の何れかの態様において、前記駆動素子が前記基板上に設けられたトランジスタであることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0026】
かかる第10の態様では、基板上に設けられたトランジスタを介して各ミラー要素の圧電素子が駆動される。
【0027】
本発明の第11の態様は、第1〜10の何れかの態様の光変調デバイスと、光源と、この光源からの光を前記光変調デバイスに入射すると共に当該光変調デバイスの前記圧電素子の駆動時又は非駆動時の何れか一方のみを出射する光学系とを具備することを特徴とする表示装置にある。
【0028】
かかる第11の態様では、ミラー膜構造の曲率変化を大きくして集光性能を向上させた光変調デバイスを用いることにより、小型、省スペース化を可能とした表示装置が実現できる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0030】
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る光変調デバイスの概略を示す斜視図であり、図2は、その一つのミラー要素を示す上面図及び断面図である。
【0031】
図1に示すように、本実施形態の光変調デバイス10は、例えば、厚さが500μmのシリコン(Si)基板等で形成されたミラー基板11と、このミラー基板11上に、2次元アレイ状に設けられたミラー要素20からなる。
【0032】
これらのミラー要素20は、例えば、1280×1024要素の2次元アレイ状に設けられ、例えば、図2に示すように、弾性板31上に形成された下電極膜32、圧電体層33及び上電極膜34を有する圧電素子30を有する。また、本実施形態では、この圧電素子30を構成する上電極膜34が入射光を反射する反射膜を兼ねている。なお、勿論、上電極膜34とは別途、反射膜を設けるようにしてもよい。
【0033】
また、各ミラー要素20の表面は、例えば一辺が約20μmの略正方形を有しており、本実施形態では、このミラー要素20の対角線上の一方には、厚さ方向に貫通した矩形の貫通孔21,22がミラー要素20の他方の対角線に対して線対称となるように設けられている。
【0034】
各ミラー要素20の圧電素子30を構成する下電極膜32及び上電極膜34には、それぞれ、圧電素子30の貫通孔21,22から貫通孔21,22の一辺と略同一幅でミラー基板11上まで延設された下電極延設部41及び上電極延設部42を有する。これら下電極延設部41及び上電極延設部42は、その一部が圧電素子30の平面方向に交差する方向に延設されており、ミラー要素20をミラー基板11との間に空間を保持した状態で支持している。すなわち、これらのミラー要素20は、貫通孔21,22の間の領域を支点として変形されるようになっている。また、ミラー基板11には、圧電素子30を駆動するためのトランジスタ等の駆動素子50が各圧電素子30に対応して設けられており、下電極延設部41及び上電極延設部42は、それぞれ各駆動素子50と電気的に接続されている。
【0035】
ここで、下電極延設部41及び上電極延設部42の幅は、特に限定されないが、圧電素子30の変形効率を向上するためには、ミラー要素20を支持固定可能な程度に細くすることが好ましい。また、下電極延設部41及び上電極延設部42、すなわち下電極膜32及び上電極膜34の膜厚も特に限定されず、ミラー要素20を支持固定可能な程度であればよく、それぞれの歪み等を考慮して適宜決定されればよい。
【0036】
また、これら下電極延設部41及び上電極延設部42が延設される貫通孔21,22の開口の大きさは、少なくとも下電極延設部41及び上電極延設部42と接触しない程度であれば特に限定されないが、反射面の面積を広くとるために、できるだけ開口面積を小さく形成することが好ましい。また、貫通孔21,22の互いの間隔によって、ミラー要素20の変形量、変形方向等が変化するため、これらを考慮して貫通孔21,22の位置を適宜決定する必要がある。
【0037】
また、このような本実施形態の光変調デバイス10の製造方法は特に限定されないが、本実施形態では、以下の工程で製造した。なお、図3及び図4は、本実施形態の光変調デバイスの製造方法を示す断面図である。
【0038】
まず、図3(a)に示すように、シリコン基板上に半導体プロセスにより所定のトランジスタからなる駆動素子50を形成し、これをミラー基板11とする。このミラー基板11上に犠牲層60を形成する。この犠牲層60の材料は、特に限定されないが、例えば、ポリシリコン又はリンドープ酸化シリコン(PSG)等を用いることが好ましく、本実施形態では、エッチングレートの比較的速いPSGを用いた。
【0039】
次に、図3(b)に示すように、犠牲層60上に弾性板31を形成する。この弾性板31は、各駆動素子50に対応する領域にパターニングし、弾性板除去部31a,31bを形成する。このような弾性板31の材料は、弾性変形可能で且つ所定の剛性を有する材料であり、後の工程で犠牲層60をエッチングする際に除去されない材料であれば、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、ジルコニウム層を形成後、例えば、500〜1200℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる弾性板31とした。
【0040】
次に、図3(c)に示すように、犠牲層60を、弾性板31の一方の弾性板除去部31aからミラー基板11の表面までエッチングすることにより貫通孔21に対応する領域にミラー基板11を露出する犠牲層除去部61を形成した。
【0041】
次に、図3(d)に示すように、犠牲層60上の全面に亘って下電極膜32を成膜すると共にパターニングする。すなわち、犠牲層除去部61の底部及び一方の側壁に形成された下電極膜32を下電極延設部41として残す。この下電極延設部41は、後の工程で犠牲層60全てを除去した後、ミラー要素20とミラー基板11との間に空間を保持した状態でミラー要素20を支持する。
【0042】
この下電極膜32の材料としては白金等が好適である。これは、後述するようにスパッタリング方やゾル−ゲル法で圧電体層33を形成する際、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で600〜1000℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜32の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層33としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた場合には、酸化鉛(PbO)の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましい。これらの理由から本実施形態では、白金をスパッタリング法により形成することにより下電極膜32とした。
【0043】
次に、図4(a)に示すように、圧電体層33を犠牲層60上の全面に亘って成膜すると共に犠牲層除去部61及び弾性板除去部31bに対応する領域の圧電体層33を除去し、貫通孔21,22を形成する。
【0044】
圧電体層33の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の材料が好ましく、本実施形態では、金属有機物を触媒に融解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層33を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。なお、この圧電体層33の成膜方法は、特に限定されず、例えばスパッタリング法で形成してもよい。
【0045】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【0046】
何れにしても、このように成膜された圧電体層33は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層33は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に0.2〜5μmである。
【0047】
次に、図4(b)に示すように、犠牲層60を、弾性板除去部31bからミラー基板11の表面までエッチングすることにより貫通孔22に対応する領域にミラー基板11を露出する犠牲層除去部62を形成した。
【0048】
次に、図4(c)に示すように、上電極膜34を犠牲層60上の全面に亘って成膜すると共にパターニングする。すなわち、犠牲層除去部62の底部及び一方の側壁に形成された上電極膜34を上電極延設部42として残し、下電極膜32との接触部は除去する。この上電極延設部42は、後の工程で犠牲層60全てを除去した後、ミラー要素20とミラー基板11とを空間を保持した状態でミラー要素20を支持する。
【0049】
なお、貫通孔21及び22の間の領域は、下電極延設部41に連通する下電極膜32と上電極延設部42に連通する上電極膜34との間に圧電体層33が挟持された圧電素子30が形成されている。また、この領域の下電極膜32の下電極延設部41側の端部は、圧電体層33で覆われて、上電極延設部42との絶縁が確保されている。
【0050】
上電極膜34は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、上電極膜34が反射膜を兼ねるため、反射率の高い材料、例えば、アルミニウム(Al)又は銀(Ag)をスパッタリング法により成膜して上電極膜34とした。
【0051】
次いで、図4(d)に示すように、犠牲層60をエッチングにより除去する。本実施形態では、犠牲層60の材料として、PSGを用いているため、弗酸、あるいは弗化アンモニウムと一水素二弗化アンモニウムとの混合水溶液等によってエッチングすることができる。
【0052】
これにより、下電極延設部41及び上電極延設部42を支持部として、ミラー要素20がミラー基板11との間に空間を保持した状態で支持固定された本実施形態の光変調デバイス10が製造される。
【0053】
ここで、このように形成された本実施形態の光変調デバイスの動作について説明する。なお、図5は、本実施形態の光変調デバイス及び光変調デバイスに照射される光の光路を模式的に示した図である。
【0054】
光変調デバイス10は、ミラー要素20を変形させることにより、光を変調させるものであり、本実施形態では、ミラー要素20は、圧電素子30に電圧を印加されない状態では、ほぼ平坦となっており、駆動素子50のスイッチングによって圧電素子30に電圧が印加されると圧電素子30の圧電体層33が面内方向に収縮して、ミラー要素20は支持部の間の領域を支点として、ミラー基板11側を凸として変形し、上電極膜34が凹面鏡となるようになっている。
【0055】
また、このような本実施形態の光変調デバイス10は、例えば、図5に示すように、ミラー要素20に相対向する位置に、遮光ドットアレイ100を具備する。この遮光ドットアレイ100は、例えば、ガラス等の透明基板からなり、各ミラー要素に対向して遮光ドット101が設けられている。この遮光ドット101は、光吸収剤からなり、例えば、樹脂に分散されたカーボンブラック、黒色顔料、黒色染料等が挙げられる。又、遮光ドットアレイ100は、各遮光ドット101が変形したミラー要素20Bの焦点近傍に設けられている。例えば、本実施形態の構成では、ミラー要素20の変形量は0.2μmであるため、遮光ドット101は各ミラー要素20から約0.2mmの距離で設けられている。
【0056】
このような構成では、圧電素子30に電圧が印加されていない状態では、入射光90がミラー要素20Aの反射膜を兼ねた上電極膜32に対して略直角に入射されるため、入射光90は入射光路と略同一光路で出射される。一方、駆動素子50によって圧電素子30に電圧が印加された状態ではミラー要素20が変形されて凹面鏡となるため、反射された後には変形したミラー要素20Bの焦点方向に集光される。本実施形態では、上述のように遮光ドット101が変形したミラー要素20の焦点近傍に設けられているため、入射光90は反射された後、遮光ドット101に集光されて入射方向にもどることはない。すなわち、このような光変調デバイス10を表示装置等に用いた場合、圧電素子30に電圧を印加する、しないによって、入射光90のON、OFFの制御を容易に行うことができる。なお、上述した例では、圧電素子30が変形しない場合がON、変形した場合がOFFとなるが、勿論、これと逆になるように設定することもできる。
【0057】
以上説明した本実施形態の光変調デバイスでは、従来の構造の光変調デバイスと比較して、入射光を反射する反射面の面積を大きくすることができる。すなわち、反射面の開口率が大きく、反射効率を向上させることができる。また、圧電素子を変形させて入射光を反射するため、アナログ的なミラー傾斜角の制御ができ、高階調な画像を得ることができる。さらに、下電極延設部及び上電極延設部がミラー基板上で駆動素子と電気的に接続されているため、圧電素子の配線構造を簡略化することができる。
【0058】
(実施形態2)
図6は、実施形態2に係る光変調デバイスの上面図である。
【0059】
本実施形態は、下電極延設部41及び上電極延設部42を2つずつ設けた図であり、図6に示すように、ミラー要素20Cの各対角線に沿って、2つの貫通孔21を隣り合うように設け、貫通孔21のそれぞれに相対向する位置に貫通孔22を設けた。この貫通孔21,22に対向する領域には、各下電極延設部41及び上電極延設部42を形成し、4カ所でミラー要素20Cを支持固定するようにした以外、実施形態1と同様である。
【0060】
このような、本実施形態の構成では、略正方形を有する圧電素子30の全ての外縁部に対して貫通孔21,22がそれぞれ略均等な距離を有しているため、下電極32及び上電極34に電圧を印加し、圧電体膜33を変形させると、ミラー要素20Dは、略均等な曲面を有する凹面鏡となる。そのため、反射した光の集光度の高いミラー要素20となる。また、ミラー要素20を支持固定する下電極延設部41及び上電極延設部42の数が倍となったため、各下電極延設部41及び上電極延設部42の剛性を低くすることができる。すなわち、各下電極延設部41及び上電極延設部42の幅を狭く形成することが可能である。このことから、貫通孔21,22の開口面積を小さくすることができるため、ミラー要素20の変形量が大きくなると共に、集光度を向上することができる。
【0061】
なお、各貫通孔21,22の位置は、特に限定されず、例えば、2つの貫通孔21を、ミラー要素20Cの一方の対角線に沿って他方の対角線に対して線対称となるように設け、2つの貫通孔22を、他方の対角線に沿って、貫通孔21が設けられた対角線に対して線対称になるように設けてもよい。
【0062】
また、各貫通孔21,22から延設される電極は、特に限定されず、例えば、4つの貫通孔21,22の内、1つの貫通孔から下電極32を延設して下電極延設部41を形成し、残り3つの貫通孔から上電極34を延設して上電極延設部42を形成しても上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【0063】
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明の光変調デバイスは上述した実施形態に限定されるものではないが、何れにしても反射面の曲率変化を大きくし、反射面の面積が大きくなっているため、集光性能が向上する。
【0064】
上述した実施形態では、ミラー要素20を略正方形としたが、これに限定されず、例えば、多角形又は円形等、何れの形状であってもよい。
【0065】
また、上述した実施形態では、反射膜を兼ねる上電極膜34を凹面鏡として作用するものとしたが、これに限定されず、成膜条件等を適宜調整して凸面鏡として作用させるようにしてもよい。
【0066】
さらに、上述した実施形態では、貫通孔21,22を矩形としていたが、貫通孔21,22の形状、大きさ等、特に限定されず、例えば多角形又は円形等、何れの形状であってもよい。また、貫通孔21,22を長孔としてもよく、この場合には下電極延設部41及び上電極延設部42の平面方向へ延設される部分が長い構造となる。
【0067】
以下には、遮光ドットアレイ以外を用いた光変調デバイスの構成例、及び凸面鏡として作用させた場合の構成例を示す。本発明は集光性能の向上により入射光を反射面に集光させる特別な光学系を必要としないという効果を奏するものであるが、入射光を集光させる光学系を用いてもよく、以下にはこのような構成も示す。
【0068】
図7には、上述した遮光ドットアレイ100の代わりに、ピンホールアレイ110及びマイクロレンズアレイ120を設けた光変調デバイスの概略構成を示す。ここで、ピンホールアレイ110は、各ミラー要素20に対向する位置にピンホール111を有し、また、各マイクロレンズアレイ120は、各ミラー要素20に対向する位置に凸レンズ121を有する。なお、ピンホールアレイ110の各ピンホール111は、変形したミラー要素20Bの焦点近傍に設けられている。
【0069】
かかる光変調デバイスでは、変形したミラー要素20Bに入射した光はピンホールアレイ110のピンホール111を通過して戻るが、変形していないミラー要素20Aに入射した光はピンホールアレイ110の遮光部112に遮断される。すなわち、この例では、上述した例とは反対に、ミラー要素20を変形した場合がONであり、未変形の場合がOFFとなる。
【0070】
なお、ミラー要素20をミラー基板11とは反対側に凸に変形するようにして凸面鏡として作用しても光変調デバイスとすることができる。このような光変調デバイスを用いた表示装置の一例を後述する。
【0071】
また、以上説明した各実施形態においては、圧電素子30の変形の際に圧電素子30と対向するミラー基板11が帯電し、静電力により圧電素子30の変形が阻害される場合があると考えられる。従って、このような問題を解消するために、上述した構成に加えて、さらに、圧電素子30の下電極膜32又は上電極膜34に対向するミラー基板11を、対向する下電極膜32又は上電極膜34と略同一電位にするようにしてもよい。すなわち、相対向する電極が共通電極で接地されている状態の場合には、ミラー基板11も接地状態にする。これにより、圧電素子30の電極とミラー基板11との電位差による帯電が生じなくなり、ミラー要素20の変形が阻害されることがなく、ミラー要素20の変位量の低下を抑えることができる。
【0072】
また、例えば、下電極膜32又は上電極膜34に対向するミラー基板上に対向電極を設け、この対向電極と下電極膜32又は上電極膜34との間に、圧電素子30の変形を補助する方向に静電力が生じるように電圧を印加するようにしてもよい。このような構成では、ミラー要素20の変位量をさらに増加させることができ、集光率をさらに高め、SN比の向上を図ることができる。
【0073】
以上説明した各構成の本発明の光変調デバイスは、例えば、表示装置の一部として用いられる。
【0074】
図8〜図10には本発明の光変調デバイスを用いた表示装置の一例を示す。なお、図8〜図10は表示装置を構成する光学系の概略断面図であり、レンズ、光変調デバイス等は大幅に簡略化して描いてある。
【0075】
図8に示す表示装置は、光源であるメタルハライドランプ210及び放射面形状のリフレクタ211と、このメタルハライドランプ210からの光を光変調デバイス10に入射させるハーフミラー220と、光変調デバイス10からの出射光を結像する投影レンズ230と、投影レンズ230により結像された像を表示するスクリーン240とを具備する。
【0076】
かかる表示装置では、光源であるメタルハライドランプ210を有し、メタルハライドランプ210から出た光は、リフレクタ211で反射されて略平行な光となってハーフミラー220に入射し、ハーフミラー220で反射されて光変調デバイス10に入射される。なお、ハーフミラー220はキューブ型のハーフプリズムとしてもよい。
【0077】
光変調デバイス10を構成するミラー要素20のうちで、駆動素子50を介して駆動されて変形しているミラー要素20Bは凹面鏡として働き、この変形したミラー要素20Bに入射した光は反射されて遮光ドット101に向かって集光され、ハーフミラー220方向には戻らない。一方、変形していないミラー要素20Aに入射した光は反射されて、投影レンズ230によって像面であるスクリーン240上に結像される。
【0078】
以上のような光学系の構成によって、光変調デバイス10を構成する各ミラー要素20がスクリーン240上の画素に対応し、ミラー要素20のON,OFF、すなわち、変形していない、変形しているによってスクリーン240上の表示画像を変化させることができる。
【0079】
なお、スクリーン240としては反射型のスクリーンあるいは透過性型のスクリーンを用いることができる。
【0080】
また、図8で示した光学系では、光源210から放出された光のうち、ハーフミラー220でその約半分だけが光変調デバイス10を照明し、残りの半分はハーフミラー220を透過して無駄な光となる。さらに、光変調デバイス10で反射した光のうちその半分だけがハーフミラー220を透過して投影レンズ230へ向かう。すなわち、光源から出てスクリーン240に到達する光は、途中でのロスがないとして理想的に見積もっても光源210から出た光の1/4程度に減衰している。
【0081】
図9に示す表示装置では、ハーフミラー220の代わりに、3つの偏光ビームスプリッタ221、222及び224を用いることにより、光源から放射されるエネルギを原理的にロスなくスクリーン240に導くようにしている。
【0082】
図示するように、光源であるメタルハライドランプ210から出た光は、放物面形状のリフレクタ211で反射され略平行な光に変換され、第1の偏光ビームスプリッタ221に入射する。以下、偏光ビームスプリッタ221はP偏光は透過し、S偏光は反射するものとする。
【0083】
光源210からでた光は、その振動方向がランダムな方向を向いている自然光なので、そのうちのP偏光成分(図中pで示す)は第1の偏光ビームスプリッタ221を透過し、S偏光成分(図中sで参照)は反射される。この反射されたS偏光成分の光は隣接する第2の偏光ビームスプリッタ222に入射し、そこで反射されて第2の偏光ビームスプリッタ222をS偏光として出射する。一方、第1の偏光ビームスプリッタ221を透過したP偏光は、第1のビームスプリッタ221の出射面に設けられた1/2波長板223によってS偏光に変換される。したがって、第3の偏光ビームスプリッタ224に入射される光はS偏光に揃っている。
【0084】
S偏光として第3の偏光ビームスプリッタ224に入射された光は、全て光変調デバイス10の方向へ反射されるが、第3の偏光ビームスプリッタ224の光変調デバイス10側の面に設けられた1/4波長板225によって円偏光に変換されて光変調デバイス10に入射される。
【0085】
光変調デバイス10を構成するミラー要素20の反射膜で反射した光は、入射光の円偏光とは反対方向に偏光する円偏光となり、1/4波長板225で今度はP偏光となって第3のビームスプリッタ224に入射される。このP偏光は第3のビームスプリッタ224で反射されることなく原理的には全て透過されて投影レンズ230に到達する。
【0086】
以上述べたように、光源から出た光の振動方向を揃えることによって、ハーフミラーを用いた場合のような光のロスがなく、光源から放射されるエネルギを原理的にロスなくスクリーンに導くことができる。すなわち、明るい表示が可能な表示装置を構成することができる。
【0087】
図10には、他の実施形態の表示装置の構成を示す。この表示装置では、遮光ドットアレイ100を有さず且つ各ミラー要素20が駆動された場合に凸面鏡として作用する光変調デバイス10Aを用いると共に図11の装置の第3の偏光ビームスプリッタ224と投影レンズ230との間に、第3のビームスプリッタ224を透過する所定の発散光は投影レンズ230に透過するが、平行光は遮断するレンズ250及び微小ミラー251を設けたものである。なお、投影レンズ230は所定の発散光でレンズ250を通過した光をスクリーン240に結像するものである。
【0088】
かかる構成では、光変調デバイス10Aの変形していないミラー要素20Aに入射した光は平行光のまま反射されてレンズ250に到達するが、この光は、レンズ250の焦点近傍に配置された微小ミラー251に集光されて発散され、スクリーン240には到達しない。一方、変形したミラー素子20Bに入射された光は仮想光源260から出ているような発散光としてレンズ250に到達するので、微小ミラー251に遮られることなく投影レンズ230に到達し、投影レンズ230によりスクリーン240に結像される。
【0089】
なお、以上の説明では表示装置としては一枚の光変調デバイスを用いた表示装置を説明したが、従来から知られているように、3枚の光変調デバイスを用い、それぞれの光変調デバイスが赤、緑、青それぞれの光を変調し、その変調光を色合成して投写するカラー表示装置としても本発明を用いることができることはいうまでもない。
【0090】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明ではミラー要素を構成する圧電素子の第1及び第2の電極のそれぞれを圧電素子の対角線上に設けられた各貫通孔から延設した第1及び第2の延設部によって基板上に支持固定するようにした。これにより、圧電素子の端部が自由端となり変形効率が向上すると共に、ミラー要素の反射面の面積を大きくすることができ、効率よく入射光を変調させることができる。
【0091】
また、圧電素子を変形させて入射光を反射するため、アナログ的なミラー傾斜角の制御ができ、高階調な画像を得ることができる。
【0092】
さらに、第1及び第2の電極から延設された第1及び第2の延設部が基板上で駆動素子と電気的に接続されることにより、圧電素子の配線構造を簡略化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの概略を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの要部上面図及び要部断面図である。
【図3】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの光学系の概略断面図である。
【図6】本発明の実施形態2に係る光変調デバイスの要部上面図である。
【図7】本実施形態の他の実施形態に係る光変調デバイスの光学系の概略断面図である。
【図8】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。
【図9】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。
【図10】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。
【符号の説明】
10 光変調デバイス
11 ミラー基板
20 ミラー要素
21,22 貫通孔
30 圧電素子
31 弾性板
32 下電極膜
33 圧電体層
34 上電極膜
41 下電極延設部
42 上電極延設部
50 駆動素子
Claims (2)
- 圧電体層及びこれを挟持する第1及び第2の電極からなる圧電素子を有すると共に光を反射するミラー膜構造を有するミラー要素と、該ミラー要素に対応して設けられた駆動素子とを有する光変調デバイスにおいて、
前記圧電素子は、前記ミラー要素の厚さ方向に貫通した貫通孔を少なくとも2つ有し、前記第1及び第2の電極は、それぞれ前記貫通孔を介して基板上まで延設されると共に前記ミラー要素を前記基板上に支持する第1及び第2の延設部を具備することを特徴とする光変調デバイス。 - 請求項1記載の光変調デバイスと、光源と、この光源からの光を前記光変調デバイスに入射すると共に当該光変調デバイスの前記圧電素子の駆動時又は非駆動時の何れか一方のみを出射する光学系とを具備することを特徴とする表示装置。
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