JP3800288B2

JP3800288B2 - 光変調デバイス及び表示装置

Info

Publication number: JP3800288B2
Application number: JP22206899A
Authority: JP
Inventors: 明松沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2019-08-05
Also published as: JP2001051212A

Description

【０００１】
【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

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。