JP4830183B2 - Optical multilayer structure, optical switching element, and image display device - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を反射，透過若しくは吸収させる機能を有する光学多層構造体、およびこれを用いた光スイッチング素子並びに画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、映像情報の表示デバイスとしてのディスプレイの重要性が高まっており、このディスプレイ用の素子として、更には、光通信，光記憶装置，光プリンタなどの素子として、高速で動作する光スイッチング素子（ライトバルブ）の開発が要望されている。従来、この種の素子としては、液晶を用いたもの、マイクロミラーを用いたもの（ＤＭＤ；Digtal Micro Miror Device 、ディジタルマイクロミラーデバイス、テキサスインスツルメンツ社の登録商標）、回折格子を用いたもの（ＧＬＶ：Grating Light Valve,グレーティングライトバルブ、ＳＬＭ（シリコンライトマシン）社）等がある。
【０００３】
ＧＬＶは回折格子をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems) 構造で作製し、静電力で１０ｎｓの高速ライトスイッチング素子を実現している。ＤＭＤは同じくＭＥＭＳ構造でミラーを動かすことによりスイッチングを行うものである。これらのデバイスを用いてプロジェクタ等のディスプレイを実現できるものの、液晶とＤＭＤは動作速度が遅いために、ライトバルブとしてディスプレイを実現するためには２次元配列としなければならず、構造が複雑となる。一方、ＧＬＶは高速駆動型であるので、１次元アレイを走査することでプロジェクションディスプレイを実現することができる。
【０００４】
しかしながら、ＧＬＶは回折格子構造であるので、１ピクセルに対して６つの素子を作り込んだり、２方向に出た回折光を何らかの光学系で１つにまとめる必要があるなどの複雑さがある。
【０００５】
簡単な構成で実現できるものとしては、米国特許公報５５８９９７４号や米国特許公報５５００７６１号に開示されたものがある。このライトバルブは、基板（屈折率ｎ_S ）の上に間隙部（ギャップ層）を挟んで、屈折率が√ｎ_S の透光性の薄膜を設けた構造を有している。この素子では、静電力を利用して薄膜を駆動し、基板と薄膜との間の距離、すなわち、間隙部の大きさを変化させることにより、光信号を透過あるいは反射させるものである。ここで、薄膜の屈折率は基板の屈折率ｎ_S に対して、√ｎ_S となっており、このような関係を満たすことにより、高コントラストの光変調を行うことができるとされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような構成の素子では、基板の屈折率ｎ_S が「４」などの大きな値でなければ、可視光領域においては実現することはできないという問題がある。すなわち、透光性薄膜としては、構造体であることを考えると、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）（屈折率ｎ＝２．０）などの材料が望ましいので、その場合には基板の屈折率ｎ_S ＝４となる。可視光領域では、このような透明基板は入手が困難であり、材料の選択肢は狭い。赤外線等の通信用波長では、ゲルマニウム（Ｇｅ）（ｎ＝４）などを用いることにより実現可能であるが、ディスプレイなどの用途としては、現実的には適用することは難しいと思われる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、簡単な構成で、小型軽量であると共に、構成材料の選択にも自由度があり、かつ可視光領域においても高速応答が可能であり、画像表示装置等に好適に用いることができる光学多層構造体を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の第２の目的は、上記光学多層構造体を用いた高速応答が可能な光スイッチング素子および画像表示装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学多層構造体は、基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその光学的な大きさがλ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で、２値的あるいは連続的に変化可能な間隙部、および第２の層をこの順に配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、前記間隙部の大きさを変化させることにより、前記第２の層側から入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化させるものであり、前記基板を、式（２）を満たすＮ _S （＝ｎ _S −ｉ・ｋ _S ，ｎ _S は屈折率，ｋ _S は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する基板とし、前記第１の層を、式（２）を満たすＮ ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数）の複素屈折率を有する材料により形成し、前記第２の層を、式（２）を満たすｎ ₂ の屈折率を有する材料により形成してなるものである（但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）。
【００１１】

【００１２】
本発明による光スイッチング素子は、本発明の光学多層構造体と、この光学多層構造体における間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備えたものである。
【００１３】
本発明による画像表示装置は、本発明による光スイッチング素子を複数個、１次元あるいは２次元に配列したものであり、３原色の光を照射し、スキャナによって走査することで２次元画像を表示するものである。
【００１４】
本発明による光学多層構造体では、間隙部の大きさを、「λ／４」（λは入射光の設計波長）の奇数倍と「λ／４」の偶数倍（０を含む）との間で、２値的あるいは連続的に変化させると、入射光の反射、透過若しくは吸収の量が２値的あるいは連続的に変化する。
【００１５】
本発明の光学多層構造体では、また、間隙部の大きさを０に固定し、基板と、この基板に接して形成された、光の吸収のある第１の層と、この第１の層の前記基板とは反対側の面に接して形成された第２の層とを備えた構成とすることにより、反射防止膜として利用することが可能になる。
【００１６】
本発明による光スイッチング素子では、駆動手段によって、光学多層構造体の間隙部の光学的な大きさが変化することにより、入射光に対してスイッチング動作がなされる。
【００１７】
本発明による画像表示装置では、１次元あるいは２次元に配列された本発明の複数の光スイッチング素子に対して光が照射されることによって２次元画像が表示される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１および図２は、本発明の一実施の形態に係る光学多層構造体１の基本的な構成を表すものである。図１は光学多層構造体１における後述の間隙部１２が存在し、高反射時の状態、図２は光学多層構造体１の間隙部１２がなく、低反射時の状態をそれぞれ示している。なお、この光学多層構造体１は具体的には例えば光スイッチング素子として用いられ，この光スイッチング素子を複数個１次元または２次元に配列することにより、画像表示装置を構成することができる。また、詳細は後述するが、図２のような構造に固定した場合には、反射防止膜として利用することができるものである。
【００２０】
本実施の形態の光学多層構造体１は、基板１０の上に、この基板１０に接する、光の吸収のある第１の層１１、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさを変化させることのできる間隙部１２、および第２の層１３をこの順で配設して構成したものである。
【００２１】
ここで、基板１０の複素屈折率をＮ_S （＝ｎ_S −ｉ・ｋ_S ，ｎ_S は屈折率，ｋ_S は消衰係数，ｉは虚数単位）、第１の層１１の複素屈折率をＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数，ｉは虚数単位）、第２の層１３の屈折率をｎ₂ 、入射媒質の屈折率を１．０（空気）としたとき、次式（３）の関係を満たすように設定されている。なお、その意義については後述する。
【００２２】

【００２３】
基板１０は、カーボン（Ｃ），グラファイト（黒鉛）などの非金属，タンタル（Ｔａ）などの金属，酸化クロム（ＣｒＯ）などの酸化金属，窒化チタン（ＴｉＮ_X ）などの窒化金属，シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの炭化物，シリコン（Ｓｉ）などの半導体等の、不透明で光の吸収のある材料により形成されたもの、あるいは、これら光の吸収のある材料の薄膜を透明基板上に成膜したものとしてもよい。基板１０は、また、例えばガラス，プラスチックなどの透明材料若しくは消衰係数ｋの値の低い半透明材料により形成されたものとしてもよい。
【００２４】
第１の層１１は、光の吸収のある層であり，例えばＴａ，Ｔｉ，Ｃｒなどの金属，ＣｒＯなどの酸化金属，ＴｉＮ_X などの窒化金属，ＳｉＣなどの炭化物，シリコン（Ｓｉ）などの半導体などにより形成されたものである。
【００２５】
第２の層１３は、透明材料により形成されたものであり、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）（ｎ₂ ＝２．４），窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）（ｎ₂ ＝２．０），酸化亜鉛（ＺｎＯ）（ｎ₂ ＝２．０），酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₅ ）（ｎ₂ ＝２．２），酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）（ｎ₂ ＝２．１），酸化珪素（ＳｉＯ）（ｎ₁ ＝２．０），酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）（ｎ₂ ＝２．０），ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) （ｎ₂ ＝２．０）などにより形成されている。
【００２６】
なお、この第２の層１３は、スイッチング動作時においては、後述のように可動部として作用するため、特に、ヤング率が高く、丈夫なＳｉ₃ Ｎ₄ などで形成されたものであることが好ましい。また、静電気により駆動する場合には、第２の層１３の一部にＩＴＯなどの透明導電膜を含めるようにすればよい。Ｓｉ₃ Ｎ₄ とＩＴＯの屈折率は同等であるので、それぞれどの程度の膜厚にするかは任意である。また、第１の層１１と第２の層１３とが接触する場合には、接触時に電気的に短絡しないように、第２の層１３の基板側をＳｉ₃ Ｎ₄ 、入射媒質側をＩＴＯとすることが望ましい。
【００２７】
第１の層１１の物理的な膜厚ｄ₁ は、入射光の波長、その材料のｎとｋの値、基板および第２の層１３の光学定数により決まるもので、例えば５〜６０ｎｍ程度の値をとる。
【００２８】
第２の層１３の光学的な膜厚ｎ₂ ・ｄ₂ は、基板１０がカーボン，グラファイト，炭化物若しくはガラスなどの透明材料により形成されており、かつ、第１の層１１がタンタル（Ｔａ）などの消衰係数ｋ₁ の大きな金属材料等により形成されている場合には、「λ／４」（λは入射光の設計波長）以下である。但し、基板１０がカーボン，グラファイト，炭化物若しくはガラスなどの透明材料により形成され、かつ、第１の層１１がシリコン（Ｓｉ）などの消衰係数ｋ₁ の小さな材料により形成されている場合には、第２の層１３の光学的な膜厚ｄ₂ は「λ／４」より大きく、「λ／２」以下である。これは第１の層１１をＳｉにより形成した場合の光学アドミッタンスの軌跡がアドミッタンスダイアグラム上で上方に移動するため、第２の層１２との交点が実軸よりも上側（虚軸上で＋側）となるためである。
【００２９】
なお、以上の膜厚ｄ₁ ，ｄ₂ は厳密に「λ／４」「λ／２」でなくとも、これらの近傍の値でもよい。これは、例えば、一方の層の光学膜厚がλ／４より厚くなった分、他方の層を薄くするなどして補完できるからであり、また、上式（３）から屈折率が多少ずれた場合でも、膜厚で調整可能な場合もあり、その際にはｄ₁ ，ｄ₂ がλ／４から多少ずれることになるからである。このことは他の実施の形態においても同様である。よって、本明細書においては、「λ／４」の表現には「ほぼλ／４」の場合も含まれるものとする。
【００３０】
なお、第１の層１１および第２の層１３は、互いに光学的特性の異なる２以上の層で構成された複合層としてもよいが、この場合には複合層における合成した光学的特性（光学アドミッタンス）が単層の場合と同等な特性を有するものとする必要がある。
【００３１】
間隙部１２は、後述の駆動手段によって、その光学的な大きさ（第１の層１１と第２の層１３との間隔）が可変であるように設定されている。間隙部１２を埋める媒体は、透明であれば気体でも液体でもよい。気体としては、例えば、空気（ナトリウムＤ線（５８９．３ｎｍ）に対する屈折率ｎ_D ＝１．０）、窒素（Ｎ₂ ）（ｎ_D ＝１．０）など、液体としては、水（ｎ_D ＝１．３３３）、シリコーンオイル（ｎ_D ＝１．４〜１．７）、エチルアルコール（ｎ_D ＝１．３６１８）、グリセリン（ｎ_D ＝１．４７３０）、ジョードメタン（ｎ_D ＝１．７３７）などが挙げられる。なお、間隙部１２を真空状態とすることもできる。
【００３２】
間隙部１２の光学的な大きさは、「λ／４の奇数倍」と「λ／４の偶数倍（０を含む）」との間で、２値的あるいは連続的に変化するものである。これにより入射光の反射、透過若しくは吸収の量が２値的あるいは連続的に変化する。なお、上記第１の層１１および第２の層１３の膜厚の場合と同様に、λ／４の倍数から多少ずれても、他の層の膜厚あるいは屈折率の多少の変化で補完できるので、「λ／４」の表現には、「ほぼλ／４」の場合も含まれるものとする。
【００３３】
このような間隙部１２を有する光学多層構造体１は、図３および図４に示した製造プロセスにより作製することができる。まず、図３（Ａ）に示したように例えばカーボンからなる基板１０の上に、例えばスパッタリング法によりＴａからなる第１の層１１を形成し、次いで，図３（Ｂ）に示したように例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長 )法により犠牲層としての非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを形成する。続いて、図３（Ｃ）に示したように、間隙部１２のパターン形状を有するフォトレジスト膜１４を形成し、図３（Ｄ）に示したようにこのフォトレジスト膜１４をマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching) により非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを選択的に除去する。
【００３４】
次に、図４（Ａ）に示したようにフォトレジスト膜１４を除去した後、図４（Ｂ）に示したように例えばスパッタリング法によりＳｉ₃ Ｎ₄ からなる第２の層１３を形成する。次いで、図４（Ｃ）に示したように、ドライエッチングにより非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜１２ａを除去する。これにより、間隙部１２を備えた光学多層構造体１を作製することができる。
【００３５】
本実施の形態の光学多層構造体１は、間隙部１２の光学的な大きさを、λ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間（例えば、「λ／４」と「０」との間）で、２値的あるいは連続的に変化させることによって、入射した光の反射，透過若しくは吸収の量を変化させるものである。
【００３６】
次に、図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ），（Ｂ）を参照して、上記式（３）の意義について説明する。
【００３７】
上記のような光学多層構造体１のフィルタ特性は、光学アドミッタンスによって説明することができる。光学アドミッタンスｙは、複素屈折率Ｎ（＝ｎ−ｉ・ｋ、ｎは屈折率，ｋは消衰係数，ｉは虚数単位）と値が同じである。例えば、空気のアドミッタンスはｙ(air) ＝1 、ｎ(air) ＝1 、ガラスのアドミッタンスはｙ(glass) ＝1.５２、ｎ(glass) ＝1.５２である。
【００３８】
透明な基板上に透明な光学膜を形成すると、図５（Ｂ）に示したような光学アドミッタンスダイヤグラム上で、膜厚の増加に伴い円弧を描いて軌跡が移動する。ここに、横軸はアドミッタンスの実軸（Ｒ_e ），縦軸はアドミッタンスの虚軸（Ｉ_m ）をそれぞれ示している。例えば、ｎ＝ｙ＝１．５２のガラス基板上にｎ＝ｙ＝２．４０のＴｉＯ₂ などを成膜すると、その合成光学アドミッタンスの軌跡は、膜厚の増加に伴ってｙ＝１．５２の点から円弧を描きながら移動する。もし、ＴｉＯ₂ の光学的な膜厚がλ／４のときには、合成アドミッタンスの軌跡は実軸上の２．４² ／１．５２の点、すなわち３．７９の点に帰着する（λ／４法則）。これはガラス基板（透明基板）上にλ／４の膜厚のＴｉＯ₂ 膜（第１の層）を成膜したときの合成アドミッタンスである。つまり、この構造体を上から見ると、あたかもｎ＝３．７９の一体の基板を見ているのと同じようになる。このときの反射率は、空気との界面では次式（４）で求まるので、反射率Ｒ＝３３．９％となる。
【００３９】
Ｒ＝（ｎ−１／ｎ＋１）² ・・・（４）
【００４０】
次に、この光学多層構造体の上に、更に、例えばｎ＝ｙ＝１．９４７の膜を光学膜厚＝λ／４だけ成膜すると、光学アドミッタンスダイヤグラム上では、３．７９の点から右回りに軌跡が移動する。その合成アドミッタンスは、Ｙ＝１．０となり、実軸上の１．０の点となる。すなわち、これは合成アドミッタンス＝合成屈折率が１．０と同等、つまり空気と同等となるので、その界面では反射がなくなり、所謂Ｖコートの反射防止膜とみなすことができる。
【００４１】
一方、上記ＴｉＯ₂ 膜（ｎ＝２．４）の膜の上に、ｎ＝１（空気）の間隙部を光学膜厚＝λ／４だけ設けた場合には、その合成アドミッタンスは、図６（Ａ），（Ｂ）に示したように、Ｙ₂ ＝０．２６３８となる。更に、その間隙部上にｎ＝ｙ＝１．９４７の膜が光学膜厚＝λ／４だけ存在すると、その合成アドミッタンスは、Ｙ₃ ＝１４．３７となり、実軸上の１４．３７の点となる。そのときの反射率は上記（４）式のｎをＹ₃ ＝１４．３７として求まり、このとき反射率Ｒ＝７６％となる。以上のことから、間隙部（空気層）１２の光学膜厚を「０」から「λ／４」まで変化させると、反射率は「０％」から「７６％」へと変化することがわかる。
【００４２】
以上は、ガラスなどの透明材料からなる基板の上に、光の吸収のない透明層（ＴｉＯ₂ ）を形成した場合の説明であり、いずれも複素屈折率Ｎ＝ｎ−ｉ・ｋ（ｎは屈折率，ｋは消衰係数，ｉは虚数）において、ｋ＝０である。これに対して、本実施の形態では、基板１０および第１の層１１のうち少なくとも第１の層１１は、不透明な金属材料，酸化金属等の光の吸収のある材料により形成されている。すなわち、第１の層１１の複素屈折率Ｎ₁ においては、ｋ≠０である。以下、本実施の形態の特徴について説明する。
【００４３】
光学アドミッタンスダイヤグラム上で、ｎ₂ の屈折率を持つ第２の層がダイヤグラム上の（１，０）の点（空気アドミッタンス）を通る軌跡を描くと、図７に示したようになる。すなわち、実軸で１とｎ₂ ²を通り、中心が( ｎ₂ ²＋1)/ ２の円弧となる。基板１０の材料の光学アドミッタンス（複素屈折率Ｎと数値的には等しい）がこの円弧の中にある場合、円弧の外側に第１の層１１の材料の光学アドミッタンスがあれば、基板１０上に第１の層１１を成膜してゆくと、基板１０と第１の層１１との合成光学アドミッタンスは、アドミッタンスダイアグラム上で、基板１０の光学アドミッタンスの点（図中Ｎ_s で示す点）から出発し、緩いカーブを描きながら、膜厚の増加と共に、第１の層１１の光学アドミッタンスの点（図中Ｎ₁ で示す点）へ到達する。
【００４４】
このとき、基板１０と第１の層１１の光学アドミッタンス（複素屈折率と同じ値）は第２の層１３の描く円弧の両側にあるので、その円弧を必ず横切る（Ａ点）。ここで、基板１０と第１の層１１との合成アドミッタンスがその交点Ａに丁度到達するように、第１の層１１の膜厚を決める。その交点Ａからは、第２の層１３の軌跡（円弧）に沿って合成アドミッタンスが移動する。
【００４５】
従って、基板１０と第１の層１１と第２の層１３との合成アドミッタンスが１となるような膜厚で第２の層１３を成膜すれば、この光学多層構造体１への入射光の反射は設計波長において０となる。すなわち、第２の層１３の光学特性に依存する円弧の両側に、基板１０と第１の層１１の光学アドミッタンスがあれば、反射が０となる膜厚の組み合わせが必ず存在することになる。
【００４６】
なお、この場合、基板１０の光学アドミッタンスは、円弧の内側でも外側でもかまわない。このような条件を満足するためには、基板１０の複素屈折率をＮ_S （＝ｎ_S −ｉ・ｋ_S ）、第１の層１１の複素屈折率をＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ）、第２の層１３の屈折率をｎ₂ 、入射媒質の屈折率を１．０（空気）としたとき、基板１０と第１の層１１の材料の光学定数の関係が、次式（５）、すなわち、この式を書き換えた前述の式（２）を満たせばよい。
【００４７】

【００４８】
よって、このように構成した光学多層膜の第１の層１１と第２の層１３との間に、大きさが可変な間隙部１３を設けると、その間隔ｄ₃ が「０」のときには反射防止膜（図２参照）、ｄ₃ が設計波長λに対して光学的にほぼ「λ／４」のときには反射膜となる（図１参照）。つまり、間隙部１３の大きさを「０」と「λ／４」との間で可変とすることで、反射率を０と７０％以上とに変えることができる光学スイッチング素子を実現することが可能になる。
【００４９】
このような光学多層構造体１の材料としては、上記のような制約を満足すればよく、その選定の自由度は広い。また、その構成も、基板１０に間隙部１２を含めて３層構造を形成するだけでよいので、製作は容易である。以下、具体的な例を挙げて説明する。
【００５０】
〔具体例〕
図８は、基板１０として不透明なカーボン基板（Ｎ_S ＝１．９０，ｋ＝０．７５）、第１の層１１としてＴａ層（Ｎ₁ ＝２．４６，ｋ＝１．９０）、間隙部１２として空気層（ｎ＝１．００）、第２の層１３としてＳｉ₃ Ｎ₄ 膜とＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) 膜との積層膜（合成屈折率ｎ₂ ＝２．０，ｋ＝０）を用いた場合の入射光の波長（設計波長５５０ｎｍ）と反射率との関係を表すものである。ここで、（ａ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「０」（低反射側）、（ｂ）は光学膜厚が「λ／４」（１３７．５ｎｍ）（高反射側）の場合の特性をそれぞれ表している。図９および図１０は、このときの光学アドミッタンスダイヤグラムを参考として表すもので、図９は低反射側、図１０は高反射側の場合をそれぞれ示している。
【００５１】
図８からも明らかなように、本実施の形態の光学多層構造体１では、間隙部（空気層）１２の光学膜厚が「λ／４」の場合には高反射特性、間隙部１２の光学膜厚が「０」の場合には低反射特性をそれぞれ示す。すなわち、間隙部１２の光学膜厚が「λ／４」の奇数倍と「λ／４」の偶数倍（０を含む）との間で切り替わると、高反射特性と低反射特性とを交互に示すことになる。
【００５２】
ところで、第１の層１１に消衰係数ｋ₁ の大きな金属膜（例えばＴａ，ｋ₁ ＝１．９０）を用いる場合には、第２の層１３の光学膜厚は「λ／４」となるが、第１の層１１にｋ₁ の小さな半導体材料（例えばＳｉ，ｋ₁ ＝０．６３）を用いる場合には、第２の層１３の光学膜厚は「λ／４」より大きくなる（但し，λ／２より小さい）。その具体例として、例えば、基板１０をグラファイト（屈折率ｎ_S ＝１．９０，ｋ＝０．７５）、第１の層１１をシリコン（屈折率ｎ₁ ＝４．４０，ｋ＝０．６３，膜厚１３．０９ｎｍ）、第２の層１３をＳｉ₃ Ｎ₄ 膜とＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) 膜との積層膜（合成屈折率ｎ₂ ＝２．０，ｋ＝０，膜厚８３．２１ｎｍ）により形成した場合の反射特性（設計波長５５０ｎｍ）を図１１に示す。ここでも、（ａ）は間隙部（空気層）の光学膜厚が「０」（低反射側）、（ｂ）は光学膜厚が「λ／４」（１３７．５ｎｍ）（高反射側）の場合の特性をそれぞれ表している。図１２および図１３はそのときの光学アドミッタンスダイヤグラムを表すものである。図１２は低反射側、図１３は高反射側の場合をそれぞれ示している。
【００５３】
上記２つの例では、基板１０として不透明なカーボンやグラファイトを想定している。カーボンやグラファイトの光学アドミッタンス（複素屈折率と同じ値）は、アドミッタンスダイアグラム上で屈折率が２．０の透明膜が（１，０）を通るように描いた円弧の軌跡の内側にあるので、基板１０として好適である。多くの金属材料の光学アドミッタンスはその円の外側に配置されるからである。
【００５４】
参考のために、図１４に各材料の光学アドミッタンスをプロットしたアドミッタンスダイアグラムを示す。図１４には、同時に、ｎ＝２およびＴｉＯ₂ （ｎ＝２．４）が空気のアドミッタンス（１，０）を通る軌跡も示した。この円弧の中の材料を基板１０、円弧の外にある材料を第１の層１１、円弧上の材料を第２の層１３とすれば、反射率が低い（ほぼ０）の膜厚の組み合わせが必ずある。例えば、基板１０をカーボン（図中のＣ）、第１の層１１をｎ＝２の円弧の外側の材料（図中の殆ど全ての材料）、第２の層１３をｎ＝２の材料（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，Ｉ ＴＯ，ＺｎＯなど）により形成すれば、良好な特性の光学スイッチング素子を実現することができる。
【００５５】
また、第２の層１３としてＴｉＯ₂ を用いた場合には、基板１０をシリコン（Ｓｉ），カーボン（Ｃ），タンタル（Ｔａ），ゲルマニウム（Ｇｅ）フィルム，グラファイト，ガラスなどから選び、第１の層１１は図中のそれ以外の金属などから選べば、良好な特性の光学スイッチング素子を実現することができる。
【００５６】
なお、図１４には、代表的な金属材料、半導体などをプロットしたが、他の材料でもこの図にプロットし、円弧の中か外かに注目すると、良い組み合わせの材料を容易に選ぶことができる。
【００５７】
ところで、上述のような第２の層１３の円弧の内と外に基板１０と第１の層１１の光学特性があることは、良好な特性の光学構造を実現するための十分条件ではあるが、必要条件ではない。なぜならば、光の吸収のある（すなわち、ｋ≠０）膜をある基板１０に成膜するときの合成光学アドミッタンスの軌跡は、基板１０のアドミッタンスから直線的に成膜する材料の光学アドミッタンスへと向かうのではなく、大きく弯曲しながら、成膜材料の光学アドミッタンスへと向かう。そのために、湾曲度が大きいと、先の第２の層１３の円弧の内側に第１の層１１の光学アドミッタンスがあっても、合成光学アドミッタンスが第２の層１３の円弧を横切ることがある。
【００５８】
図１５はその例を表すものであり、カーボン（Ｃ）からなる基板１０の上に第１の層１１としてグラファイトを成膜していくと、弯曲してｎ＝２の円弧を２回横切る。このどちらかの点で、ｎ＝２の膜（例えばＳｉ₃ Ｎ₄ ，ＩＴＯ，ＺｎＯなど）に乗り換えるような膜厚の設定とすれば、特性の良い光学多層構造体１を実現することができる。
【００５９】
このように本実施の形態では、例えば５５０ｎｍなどの可視光領域においても、低反射時の反射率を殆ど０、高反射時の反射率を７０％以上とすることができるので、高コントラストな変調を行うことが可能である。しかも、構成が簡単であるので、ＧＬＶなどの回折格子構造やＤＭＤなどの複雑な３次元構造よりも容易に作製することができる。また、ＧＬＶは１つのピクセルに６本の格子状のリボンが必要であるが、本実施の形態では１本で済むので、構成が簡単であり、かつ小さく作製することが可能である。また、可動部分の移動範囲も高々「λ／２」であるため、１０ｎｓレベルの高速応答が可能になる。よって、ディスプレイ用途のライトバルブとして用いる場合には、後述のように１次元アレイの簡単な構成で実現することができる。
【００６０】
更に、本実施の形態の光学多層構造体１は、間隙部を金属薄膜や反射層で挟んだ構造の狭帯域透過フィルタ、すなわちファブリーペロータイプのものとは本質的に異なるものであるため、低反射帯の帯域幅を広くすることができる。よって、製作時の膜厚管理のマージンを比較的広くとることが可能であり、設計の自由度が増す。
【００６１】
また、本実施の形態では、基板１０および第１の層１１の屈折率はある範囲の任意の値であれば良いため、材料の選択の自由度が広くなる。また、基板１０を不透明な材料により構成した場合には、低反射時において入射光は基板１０に吸収されるので、迷光などが発生する心配はなくなる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の光学多層構造体１を用いることにより、高速で小型の光スイッチング素子および画像表示装置を実現することができる。これらの詳細については後述する。
【００６３】
なお、上記実施の形態では、光学多層構造体１の間隙部を一層としたが、複数層、例えば図１６に示したように２層設けるようにしてもよい。これは、基板１０上に、第１の層１１、第１の間隙部１２、第２の層１３、第２の間隙部３０、第３の透明層３１をこの順に形成し、第２の層１３および第３の透明層３１をそれぞれ例えば窒化シリコンからなる支持体１５，３２により支持する構成としたものである。
【００６４】
この光学多層構造体では、中間の第２の層１３が上下に変位し、第１の間隙部１２と第２の間隙部３０の一方の間隙が狭くなった分、他方の間隙部が広まることにより反射特性が変化する。
【００６５】
〔駆動方法〕
次に、上記光学多層構造体１における間隙部１２の大きさを変化させるための具体的な手段について説明する。
【００６６】
図１７は、静電気により光学多層構造体を駆動する例を示している。この光学多層構造体は、透明基板１０の上の第１の層１１の両側にそれぞれ例えばアルミニウムからなる電極１６ａ，１６ａを設けると共に、第２の層１３を例えば窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）からなる支持体１５により支持し、この支持体１５の電極１６ａ，１６ａに対向する位置に電極１６ｂ，１６ｂを形成したものである。
【００６７】
この光学多層構造体では、電極１６ａ，１６ａおよび電極１６ｂ，１６ｂへの電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１２の光学膜厚を、例えば「λ／４」と、「０」との間、あるいは「λ／４」と「λ／２」との間で２値的に切り替える。勿論、電極１６ａ，１６ａ、電極１６ｂ，１６ｂへの電圧印加を連続的に変化させることにより、間隙部１２の大きさをある値の範囲で連続的に変化させ、入射した光の反射、若しくは透過あるいは吸収等の量を連続的（アナログ的）に変化させるようにすることもできる。
【００６８】
光学多層構造体を静電気で駆動するものとしては、その他、図１８および図１９に示した方法によってもよい。図１８に示した光学多層構造体１は、透明基板１０の上の第１の層１１上に例えばＩＴＯ（Indium-Tin Oxide) からなる透明導電膜１７ａを設けると共に、例えばＳｉＯ₂ からなる第２の層１３を架橋構造に形成し、この第２の層１３の外面に同じくＩＴＯからなる透明導電膜１７ｂを設けたものである。
【００６９】
この光学多層構造体では、透明導電膜１７ａ，１７ｂ間への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１２の光学膜厚を切り替えることができる。
【００７０】
図１９に示した光学多層構造体では、図１８の光学多層構造体の透明導電膜１７ａの代わりに、導電性のある第１の層１１として例えばタンタル（Ｔａ）膜を配したものである。
【００７１】
光学多層構造体の駆動は、このような静電気の他、トグル機構や圧電素子などのマイクロマシンを用いる方法、磁力を用いる方法や、形状記憶合金を用いる方法など、種々考えられる。図２０（Ａ），（Ｂ）は磁力を用いて駆動する態様を示したものである。この光学多層構造体では、第２の層１３の上に開孔部を有するコバルト（Ｃｏ）などの磁性材料からなる磁性層４０を設けると共に基板１０の下部に電磁コイル４１を設けたものであり、この電磁コイル４１のオン・オフの切り替えにより、間隙部１２の間隔を例えば「λ／４」（図２０（Ａ））と「０」（図２０（Ｂ））との間で切り替え、これにより反射率を変化させることができる。
【００７２】
〔光スイッチング装置〕
図２１は、上記光学多層構造体１を用いた光スイッチング装置１００の構成を表すものである。光スイッチング装置１００は、例えばカーボンからなる基板１０１上に複数（図では４個）の光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄを一次元アレイ状に配設したものである。なお、１次元に限らず、２次元に配列した構成としてもよい。この光スイッチング装置１００では、基板１０１の表面の一方向（素子配列方向）に沿って例えばＴａ膜１０２が形成されている。このＴａ膜１０２が上記実施の形態の第１の層１１に対応している。
【００７３】
基板１０１上には、Ｔａ膜１０２に対して直交する方向に、複数本のＳｉ₃ Ｎ₄ 膜１０５が配設されている。Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜１０５の外側には透明導電膜としてのＩＴＯ膜１０６が形成されている。これらＩＴＯ膜１０６およびＳｉ₃ Ｎ₄ 膜１０５が上記実施の形態の第２の層１３に対応するもので、Ｔａ膜１０２を跨ぐ位置において架橋構造となっている。Ｔａ膜１０２とＩＴＯ膜１０６との間には、スイッチング動作（オン・オフ）に応じてその大きさが変化する間隙部１０４が設けられている。間隙部１０４の光学膜厚は、入射光の波長（λ＝５５０ｎｍ）に対しては、例えば「λ／４」（１３７．５ｎｍ）と「０」との間で変化するようになっている。
【００７４】
光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄは、Ｔａ膜１０２およびＩＴＯ膜１０６への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部１０４の光学膜厚を、例えば「λ／４」と「０」との間で切り替える。図２１では、光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃが間隙部１０４が「０」の状態（すなわち、低反射状態）、光スイッチング素子１００Ｂ，１００Ｄが間隙部１０４が「λ／４」の状態（すなわち、高反射状態）を示している。なお、Ｔａ膜１０２およびＩＴＯ膜１０６と、電圧印加装置（図示せず）とにより、本発明の「駆動手段」が構成されている。
【００７５】
この光スイッチング装置１００では、Ｔａ膜１０２を接地して電位を０Ｖとし、第２の層側に形成されたＩＴＯ膜１０６に例えば＋１２Ｖの電圧を印加すると、その電位差によりＴａ膜１０２とＩＴＯ膜１０６との間に静電引力が発生し、図２１では光スイッチング素子１００Ａ，１００Ｃのように第１の層と第２の層とが密着し、間隙部１０４が「０」の状態となる。この状態では、入射光Ｐ₁ は上記多層構造体を透過し、更に基板２１に吸収される。
【００７６】
次に、第２の層側の透明導電膜１０６を接地させ電位を０Ｖにすると、Ｔａ膜１０２とＩＴＯ膜１０６との間の静電引力がなくなり、図２１では光スイッチング素子１００Ｂ，１００Ｄのように第１の層と第２の層との間が離間して、間隙部１２が「λ／４」の状態となる。この状態では、入射光Ｐ₁ は反射され、反射光Ｐ₃ となる。
【００７７】
このようにして、本実施の形態では、光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄ各々において、入射光Ｐ₁ を静電力により間隙部を２値に切り替えることによって、反射光がない状態と反射光Ｐ₃ が発生する状態の２値に切り替えて取り出すことができる。勿論、前述のように間隙部の大きさを連続的に変化させることにより、入射光Ｐ₁ を反射がない状態から反射光Ｐ₃ が発生する状態に連続的に切り替えることも可能である。
【００７８】
これら光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄでは、可動部分の動かなくてはならない距離が、大きくても入射光の「λ／２（あるいはλ／４）」程度であるため、応答速度が１０ｎｓ程度に十分高速である。よって、一次元アレイ構造で表示用のライトバルブを実現することができる。
【００７９】
加えて、本実施の形態では、１ピクセルに複数の光スイッチング素子を割り当てれば、それぞれ独立に駆動可能であるため、画像表示装置として画像表示の階調表示を行う場合に、時分割による方法だけではなく、面積による階調表示も可能である。
【００８０】
〔画像表示装置〕
図２２は、上記光スイッチング装置１００を用いた画像表示装置の一例として、プロジェクションディスプレイの構成を表すものである。ここでは、光スイッチング素子１００Ａ〜１００Ｄからの反射光Ｐ₃ を画像表示に使用する例について説明する。
【００８１】
このプロジェクションディスプレイは、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色のレーザからなる光源２００ａ，２００ｂ，２００ｃと、各光源に対応して設けられた光スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ、ダイクロイックミラー２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ、プロジェクションレンズ２０３、１軸スキャナとしてのガルバノミラー２０４および投射スクリーン２０５を備えている。なお、３原色は、赤緑青の他、シアン，マゼンダ，イエローとしてもよい。スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃはそれぞれ、上記スイッチング素子を紙面に対して垂直な方向に複数、必要画素数分、例えば１０００個を１次元に配列したものであり、これによりライトバルブを構成している。
【００８２】
このプロジェクションディスプレイでは、ＲＧＢ各色の光源２００ａ，２００ｂ，２００ｃから出た光は、それぞれ光スイッチング素子アレイ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃに入射される。なお、この入射角は偏光の影響がでないように、なるべく０に近くし、垂直に入射させるようにすることが好ましい。各光スイッチング素子からの反射光Ｐ₃ は、ダイクロイックミラー２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃによりプロジェクションレンズ２０３に集光される。プロジェクションレンズ２０３で集光された光は、ガルバノミラー２０４によりスキャンされ、投射スクリーン２０５上に２次元の画像として投影される。
【００８３】
このように、このプロジェクションディスプレイでは、複数個の光スイッチング素子を１次元に配列し、ＲＧＢの光をそれぞれ照射し、スイッチング後の光を１軸スキャナにより走査することによって、２次元画像を表示することができる。
【００８４】
また、本実施の形態では、低反射時の反射率を０．１％以下、高反射時の反射率を７０％以上とすることができるので、１，０００対１程度の高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組み立てる際に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単である。
【００８５】
以上実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および変形例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、光源としてレーザを用いて一次元アレイ状のライトバルブを走査する構成のディスプレイについて説明したが、図２３に示したように、二次元状に配列された光スイッチング装置２０６に白色光源２０７からの光を照射して投射スクリーン２０８に画像の表示を行う構成とすることもできる。
【００８６】
また、上記実施の形態では、基板としてガラス基板を用いる例について説明したが、図２４に示したように、例えば厚さ２ｍｍ以内の柔軟性を有する（フレキシブルな）基板２０９を用いたペーパ−状のディスプレイとし、直視により画像を見ることができるようにしてもよい。
【００８７】
更に、上記実施の形態では、本発明の光学多層構造体をディスプレイに用いた例について説明したが、例えば光プリンタに用いて感光性ドラムへの画像の描きこみをする等、ディスプレイ以外の光プリンタなどの各種デバイスにも適用することも可能である。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光学多層構造体および光スイッチング素子によれば、基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、および第２の層を配設した構造を有するようにしたので、間隙部の大きさを変化させることにより、入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化させることができ、簡単な構成で、特に可視光領域においても、高速応答が可能になる。また、間隙部をなくして基板上に第１の層および第２の層をこの順で接する構造とすることにより、反射防止膜として利用することができる。
【００８９】
また、本発明の画像表示装置によれば、本発明の光スイッチング素子を１次元に配列し、この１次元アレイ構造の光スイッチング装置を用いて画像表示を行うようにしたので、高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組み立てる場合に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学多層構造体の間隙部が「λ／４」のときの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した光学多層構造体の間隙部が「０」のときの構成を表す断面図である。
【図３】 図１に示した光学多層構造体の製造工程を説明するための断面図である。
【図４】図３の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図５】透明な基板と透明な膜を用いた光学多層構造体の間隙部が「０」の場合の特性を説明するための図である。
【図６】透明な基板と透明な膜を用いた光学多層構造体の間隙部が「λ／４」の場合の特性を説明するための図である。
【図７】基板および第１の層が金属により形成された場合のアドミッタンスダイアグラムである。
【図８】図１に示した光学多層構造体の一具体例の反射特性を表す図である。
【図９】図８の例の低反射時の光学アドミッタンスを説明するための図である。
【図１０】図８の例の高反射時の光学アドミッタンスを説明するための図である。
【図１１】図１の光学多層構造体の他の具体例の反射特性を表す図である。
【図１２】図１１の例の低反射時の光学アドミッタンスを説明するための図である。
【図１３】図１１の例の高反射時の光学アドミッタンスを説明するための図である。
【図１４】各材料の光学アドミッタンスをプロットしたアドミッタンスダイアグラムである。
【図１５】基板と第１の層の光学アドミッタンスが第２の層の内側にあっても反射を０とすることができる例を説明するための図である。
【図１６】第１の実施の形態の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図１７】光学多層構造体の静電気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図１８】光学多層構造体の静電気による他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図１９】光学多層構造体の静電気による更に他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図２０】光学多層構造体の磁気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図２１】光スイッチング装置の一例の構成を表す図である。
【図２２】ディスプレイの一例の構成を表す図である。
【図２３】ディスプレイの他の例を表す図である。
【図２４】ペーパー状ディスプレイの構成図である。
【符号の説明】
１，２…光学多層構造体、１０…基板、１１…第１の層、１２…間隙部、１３…第２の層、１００─光スイッチング装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical multilayer structure having a function of reflecting, transmitting, or absorbing incident light, an optical switching element using the same, and an image display device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the importance of a display as a display device for video information has increased, and as an element for this display, an optical switching element (such as an optical communication, optical storage device, optical printer, etc.) that operates at high speed ( Development of light bulbs is demanded. Conventionally, as this kind of element, those using liquid crystal, those using micromirrors (DMD; Digital Micro Miror Device, digital micromirror device, registered trademark of Texas Instruments Incorporated), those using diffraction gratings (GLV) : Grating Light Valve, SLM (Silicon Light Machine).
[0003]
In GLV, a diffraction grating is produced with a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure, and a high-speed light switching element of 10 ns with an electrostatic force is realized. The DMD also performs switching by moving a mirror in the MEMS structure. Although a display such as a projector can be realized using these devices, the liquid crystal and the DMD have a low operation speed. Therefore, in order to realize a display as a light valve, a two-dimensional arrangement is required, and the structure becomes complicated. . On the other hand, since the GLV is a high-speed drive type, a projection display can be realized by scanning a one-dimensional array.
[0004]
However, since the GLV has a diffraction grating structure, there are complexity such that it is necessary to make six elements for one pixel and to combine the diffracted light emitted in two directions into one by some optical system.
[0005]
Examples of what can be realized with a simple configuration include those disclosed in US Pat. No. 5,589,974 and US Pat. This light valve has a substrate (refractive index n_S) With a refractive index of √n_SThe light-transmitting thin film is provided. In this element, an optical signal is transmitted or reflected by driving the thin film using electrostatic force and changing the distance between the substrate and the thin film, that is, the size of the gap. Here, the refractive index of the thin film is the refractive index n of the substrate._S√n_SIt is said that high contrast light modulation can be performed by satisfying such a relationship.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the element configured as described above, the refractive index n of the substrate_SIf is not a large value such as “4”, there is a problem that it cannot be realized in the visible light region. That is, when considering that it is a structure as a light-transmitting thin film, silicon nitride (Si_ThreeN_Four) (Refractive index n = 2.0) is desirable, and in that case, the refractive index n of the substrate_S= 4. In the visible light region, such a transparent substrate is difficult to obtain and the choice of materials is narrow. In communication wavelengths such as infrared rays, it can be realized by using germanium (Ge) (n = 4) or the like. However, it is considered that it is difficult to apply in practical use as a display or the like.
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and a first object thereof is a simple configuration, a small size and a light weight, a degree of freedom in selection of constituent materials, and high speed even in the visible light region. An object of the present invention is to provide an optical multilayer structure that can respond and can be suitably used for an image display device or the like.
[0008]
A second object of the present invention is to provide an optical switching element and an image display device capable of high-speed response using the optical multilayer structure.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  An optical multilayer structure according to the present invention has, on a substrate, a first layer that absorbs light and has a size that can cause a light interference phenomenon.OpticalSizeBinary or continuous change is possible between an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (including 0)The gap, and the second layerIn this orderHas a structure arrangedAnd a driving means for changing the optical size of the gap, and by changing the size of the gap, the amount of reflection, transmission or absorption of light incident from the second layer side And the substrate is replaced with N satisfying the formula (2). _S (= N _S -I ・ k _S , N _S Is the refractive index, k _S Is an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and the first layer is N satisfying the formula (2). ₁ (= N₁ -I ・ k₁ , N₁ Is the refractive index, k₁ Is a material with a complex refractive index of extinction coefficient)And the second layer is n satisfying the formula (2) ₂ (The refractive index of the incident medium is assumed to be 1.0).
[0011]

[0012]
An optical switching element according to the present invention includes the optical multilayer structure according to the present invention, and driving means for changing the optical size of the gap in the optical multilayer structure.
[0013]
An image display device according to the present invention includes a plurality of optical switching elements according to the present invention arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and emits light of three primary colors and displays a two-dimensional image by scanning with a scanner. Is.
[0014]
In the optical multilayer structure according to the present invention, the size of the gap is between an odd multiple of “λ / 4” (λ is the design wavelength of incident light) and an even multiple of “λ / 4” (including 0). Thus, when the value is changed in a binary or continuous manner, the amount of reflection, transmission or absorption of incident light changes in a binary or continuous manner.
[0015]
In the optical multilayer structure of the present invention, the size of the gap is fixed to 0, the substrate, the first layer having light absorption formed in contact with the substrate, and the first layer By using the second layer formed in contact with the surface opposite to the substrate, it can be used as an antireflection film.
[0016]
In the optical switching element according to the present invention, a switching operation is performed with respect to incident light by changing the optical size of the gap portion of the optical multilayer structure by the driving means.
[0017]
In the image display device according to the present invention, a two-dimensional image is displayed by irradiating light to the plurality of optical switching elements of the present invention arranged in one or two dimensions.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
1 and 2 show a basic configuration of an optical multilayer structure 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a state in which a gap 12 described later in the optical multilayer structure 1 exists and is highly reflective, and FIG. 2 shows a state in which there is no gap 12 in the optical multilayer structure 1 and low reflection. The optical multilayer structure 1 is specifically used as, for example, an optical switching element, and an image display device can be configured by arranging a plurality of the optical switching elements in one or two dimensions. Moreover, although mentioned later for details, when it fixes to a structure like FIG. 2, it can utilize as an antireflection film.
[0020]
The optical multilayer structure 1 according to the present embodiment has a first layer 11 that absorbs light and is in contact with the substrate 10 and has a size capable of causing a light interference phenomenon on the substrate 10. The gap portion 12 and the second layer 13 that can change the distance are arranged in this order.
[0021]
Here, the complex refractive index of the substrate 10 is represented by N_S(= N_S-I ・ k_S, N_SIs the refractive index, k_SIs an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and the complex refractive index of the first layer 11 is N₁(= N₁-I ・ k₁, N₁Is the refractive index, k₁Is the extinction coefficient, i is the imaginary unit), and the refractive index of the second layer 13 is n₂When the refractive index of the incident medium is 1.0 (air), it is set so as to satisfy the relationship of the following formula (3). The significance of this will be described later.
[0022]

[0023]
The substrate 10 is made of non-metal such as carbon (C) or graphite (graphite), metal such as tantalum (Ta), metal oxide such as chromium oxide (CrO), titanium nitride (TiN)._X), Nitrides such as silicon carbide (SiC), semiconductors such as silicon (Si), and the like, or thin films made of opaque and light-absorbing materials. May be formed on a transparent substrate. The substrate 10 may also be formed of a transparent material such as glass or plastic or a translucent material having a low extinction coefficient k.
[0024]
The first layer 11 is a layer that absorbs light. For example, a metal such as Ta, Ti, or Cr, a metal oxide such as CrO, or TiN._XThese are formed of a metal nitride such as SiC, a carbide such as SiC, or a semiconductor such as silicon (Si).
[0025]
The second layer 13 is formed of a transparent material, for example, titanium oxide (TiO 2).₂) (N₂= 2.4), silicon nitride (Si_ThreeN_Four) (N₂= 2.0), zinc oxide (ZnO) (n₂= 2.0), niobium oxide (Nb)₂O_Five) (N₂= 2.2), tantalum oxide (Ta₂O_Five) (N₂= 2.1), silicon oxide (SiO) (n₁= 2.0), tin oxide (SnO₂) (N₂= 2.0), ITO (Indium-Tin Oxide) (n₂= 2.0) or the like.
[0026]
The second layer 13 acts as a movable part as will be described later during the switching operation, and therefore has a particularly high Young's modulus and a strong Si._ThreeN_FourIt is preferable that it is formed by. Further, when driven by static electricity, a transparent conductive film such as ITO may be included in a part of the second layer 13. Si_ThreeN_FourSince the refractive indexes of ITO and ITO are equivalent to each other, the film thickness can be arbitrarily determined. In addition, when the first layer 11 and the second layer 13 are in contact, the substrate side of the second layer 13 is not Si short so as not to be electrically short-circuited at the time of contact._ThreeN_FourThe incident medium side is preferably made of ITO.
[0027]
Physical thickness d of the first layer 11₁Is determined by the wavelength of incident light, the values of n and k of the material, and the optical constants of the substrate and the second layer 13, and takes a value of about 5 to 60 nm, for example.
[0028]
Optical thickness n of the second layer 13₂・ D₂The substrate 10 is made of a transparent material such as carbon, graphite, carbide, or glass, and the first layer 11 has an extinction coefficient k such as tantalum (Ta).₁In the case of being formed of a large metal material or the like, it is equal to or less than “λ / 4” (λ is the design wavelength of incident light). However, the substrate 10 is formed of a transparent material such as carbon, graphite, carbide, or glass, and the first layer 11 is extinction coefficient k such as silicon (Si).₁The second layer 13 has an optical film thickness d.₂Is larger than “λ / 4” and smaller than “λ / 2”. This is because the locus of the optical admittance when the first layer 11 is made of Si moves upward on the admittance diagram, so that the intersection with the second layer 12 is above the real axis (on the + side on the imaginary axis). ).
[0029]
The above film thickness d₁, D₂Is not strictly "λ / 4" or "λ / 2", but may be a value in the vicinity thereof. This is because, for example, the optical film thickness of one layer becomes thicker than λ / 4, so that the other layer can be made thinner, and the refractive index slightly deviates from the above formula (3). In some cases, the film thickness can be adjusted.₁, D₂Is slightly deviated from λ / 4. The same applies to other embodiments. Therefore, in this specification, the expression “λ / 4” includes the case of “approximately λ / 4”.
[0030]
The first layer 11 and the second layer 13 may be a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics. In this case, the synthesized optical characteristics (optical) in the composite layer are used. The admittance must have the same characteristics as in the case of a single layer.
[0031]
The gap portion 12 is set so that its optical size (the distance between the first layer 11 and the second layer 13) can be changed by a driving means described later. The medium that fills the gap 12 may be gas or liquid as long as it is transparent. Examples of the gas include air (refractive index n with respect to sodium D line (589.3 nm))._D= 1.0), nitrogen (N₂) (N_D= 1.0) and the like as water (n_D= 1.333), silicone oil (n_D= 1.4-1.7), ethyl alcohol (n_D= 1.3618), glycerin (n_D= 1.4730), Joodomethane (n_D= 1.737). The gap 12 can be in a vacuum state.
[0032]
The optical size of the gap 12 changes in a binary or continuous manner between “odd multiple of λ / 4” and “even multiple of λ / 4 (including 0)”. . As a result, the amount of reflection, transmission or absorption of incident light changes in a binary or continuous manner. As in the case of the film thicknesses of the first layer 11 and the second layer 13, even if there is a slight deviation from a multiple of λ / 4, it can be supplemented by a slight change in the film thickness or refractive index of other layers. Therefore, the expression “λ / 4” includes the case of “approximately λ / 4”.
[0033]
The optical multilayer structure 1 having such a gap 12 can be manufactured by the manufacturing process shown in FIGS. First, as shown in FIG. 3A, a first layer 11 made of Ta is formed on a substrate 10 made of carbon, for example, by sputtering, for example, and then, as shown in FIG. For example, an amorphous silicon (a-Si) film 12a as a sacrificial layer is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Subsequently, as shown in FIG. 3C, a photoresist film 14 having a pattern shape of the gap 12 is formed, and this photoresist film 14 is used as a mask as shown in FIG. The amorphous silicon (a-Si) film 12a is selectively removed by RIE (Reactive Ion Etching).
[0034]
Next, after removing the photoresist film 14 as shown in FIG. 4 (A), as shown in FIG._ThreeN_FourA second layer 13 made of is formed. Next, as shown in FIG. 4C, the amorphous silicon (a-Si) film 12a is removed by dry etching. Thereby, the optical multilayer structure 1 provided with the gap | interval part 12 is producible.
[0035]
In the optical multilayer structure 1 according to the present embodiment, the optical size of the gap 12 is set between an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (including 0) (for example, “λ / 4 ”and“ 0 ”), the amount of reflection, transmission, or absorption of incident light is changed by changing it in a binary or continuous manner.
[0036]
Next, with reference to FIGS. 5A and 5B and FIGS. 6A and 6B, the significance of the expression (3) will be described.
[0037]
The filter characteristics of the optical multilayer structure 1 as described above can be explained by optical admittance. The optical admittance y has the same value as the complex refractive index N (= n−i · k, n is the refractive index, k is the extinction coefficient, and i is the imaginary unit). For example, the admittance of air is y (air) = 1, n (air) = 1, and the admittance of glass is y (glass) = 1.52 and n (glass) = 1.52.
[0038]
When a transparent optical film is formed on a transparent substrate, the locus moves in an arc as the film thickness increases on the optical admittance diagram as shown in FIG. Here, the horizontal axis is the real axis of admittance (R_e), The vertical axis is the imaginary axis of admittance (I_m) Respectively. For example, n = y = 2.40 TiO on a glass substrate with n = y = 1.52.₂And the like, the locus of the synthetic optical admittance moves while drawing an arc from the point of y = 1.52 as the film thickness increases. If TiO₂When the optical film thickness of λ / 4 is λ / 4, the locus of the synthetic admittance is 2.4 on the real axis.²/1.52 points, that is, 3.79 points (λ / 4 law). This is TiO / 4 film thickness on a glass substrate (transparent substrate)₂It is a synthetic admittance when a film (first layer) is formed. That is, when this structure is viewed from above, it is as if viewing an integrated substrate with n = 3.79. Since the reflectance at this time is obtained by the following equation (4) at the interface with air, the reflectance R = 33.9%.
[0039]
R = (n−1 / n + 1)²... (4)
[0040]
Next, when a film of n = y = 1.947, for example, with an optical film thickness = λ / 4 is further formed on this optical multilayer structure, on the optical admittance diagram, from the point of 3.79 to the right The trajectory moves around. The composite admittance is Y = 1.0, which is 1.0 on the real axis. That is, this is equivalent to a synthetic admittance = composite refractive index of 1.0, that is, equivalent to air, so that there is no reflection at the interface, and it can be regarded as a so-called V-coat antireflection film.
[0041]
On the other hand, the TiO₂When the gap of n = 1 (air) is provided on the film (n = 2.4) by the optical film thickness = λ / 4, the composite admittance is shown in FIGS. As shown in B), Y₂= 0.2638. Further, when there is a film of n = y = 1.947 as much as the optical film thickness = λ / 4 on the gap, the composite admittance is Y_Three= 14.37, which is 14.37 on the real axis. The reflectivity at that time is Y in the above equation (4)._Three= 14.37. At this time, the reflectance R is 76%. From the above, it can be seen that when the optical film thickness of the gap (air layer) 12 is changed from “0” to “λ / 4”, the reflectance changes from “0%” to “76%”. .
[0042]
The above is a transparent layer (TiO 2) that does not absorb light on a substrate made of a transparent material such as glass.₂), And in all cases, k = 0 in the complex refractive index N = n−i · k (n is the refractive index, k is the extinction coefficient, and i is the imaginary number). On the other hand, in the present embodiment, at least the first layer 11 out of the substrate 10 and the first layer 11 is formed of a light-absorbing material such as an opaque metal material or metal oxide. That is, the complex refractive index N of the first layer 11₁In k, k ≠ 0. Hereinafter, features of the present embodiment will be described.
[0043]
On the optical admittance diagram, n₂When a second layer having a refractive index of (2) has a trajectory passing through the point (1, 0) (air admittance) on the diagram, the result is as shown in FIG. That is, 1 and n on the real axis₂ ²Through the center (n₂ ²+1) / 2 arc. If the optical admittance of the material of the substrate 10 (which is numerically equal to the complex refractive index N) is within this arc, the optical admittance of the material of the first layer 11 on the outside of the arc will be When the first layer 11 is formed, the combined optical admittance of the substrate 10 and the first layer 11 is the point of the optical admittance of the substrate 10 (N in the figure) on the admittance diagram._sThe point of the optical admittance of the first layer 11 (N in the figure) as the film thickness increases while drawing a gentle curve.₁To the point indicated by
[0044]
At this time, since the optical admittance (the same value as the complex refractive index) of the substrate 10 and the first layer 11 is on both sides of the arc drawn by the second layer 13, it always crosses the arc (point A). Here, the film thickness of the first layer 11 is determined so that the combined admittance of the substrate 10 and the first layer 11 just reaches the intersection A. From the intersection A, the synthetic admittance moves along the locus (arc) of the second layer 13.
[0045]
Therefore, if the second layer 13 is formed with a film thickness such that the synthetic admittance of the substrate 10, the first layer 11, and the second layer 13 is 1, incident light to the optical multilayer structure 1 Is 0 at the design wavelength. In other words, if there is an optical admittance between the substrate 10 and the first layer 11 on both sides of the arc depending on the optical characteristics of the second layer 13, there is always a combination of film thicknesses at which reflection is zero.
[0046]
In this case, the optical admittance of the substrate 10 may be inside or outside the arc. In order to satisfy such conditions, the complex refractive index of the substrate 10 is set to N_S(= N_S-I ・ k_S), The complex refractive index of the first layer 11 is N₁(= N₁-I ・ k₁), The refractive index of the second layer 13 is n₂When the refractive index of the incident medium is 1.0 (air), the relationship between the optical constants of the material of the substrate 10 and the first layer 11 is expressed by the following equation (5), that is, the above-described equation rewriting (2) should be satisfied.
[0047]

[0048]
Therefore, when the gap 13 having a variable size is provided between the first layer 11 and the second layer 13 of the optical multilayer film configured as described above, the distance d is set._ThreeIs “0”, the antireflection film (see FIG. 2), d_ThreeIs optically approximately “λ / 4” with respect to the design wavelength λ, it becomes a reflective film (see FIG. 1). In other words, by making the size of the gap 13 variable between “0” and “λ / 4”, an optical switching element that can change the reflectance between 0 and 70% or more can be realized. It becomes possible.
[0049]
As a material for such an optical multilayer structure 1, it is sufficient to satisfy the above-described restrictions, and the degree of freedom in selection is wide. In addition, the structure is easy because it is only necessary to form a three-layer structure including the gap 12 on the substrate 10. Hereinafter, a specific example will be described.
[0050]
〔Concrete example〕
FIG. 8 shows an opaque carbon substrate (N_S= 1.90, k = 0.75), Ta layer (N₁= 2.46, k = 1.90), the air layer (n = 1.00) as the gap 12, and Si as the second layer 13_ThreeN_FourLaminated film of ITO film and ITO (Indium-Tin Oxide) film (synthetic refractive index n₂= 2.0, k = 0) represents the relationship between the wavelength of incident light (design wavelength 550 nm) and the reflectance. Here, (a) shows an optical film thickness of the gap (air layer) of “0” (low reflection side), and (b) shows an optical film thickness of “λ / 4” (137.5 nm) (high reflection side). The characteristics in the case of. 9 and 10 show the optical admittance diagrams at this time as a reference, and FIG. 9 shows the case of the low reflection side and FIG. 10 shows the case of the high reflection side, respectively.
[0051]
As is apparent from FIG. 8, in the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, when the optical film thickness of the gap (air layer) 12 is “λ / 4”, the high reflection characteristics and the gap 12 When the optical film thickness is “0”, low reflection characteristics are shown. That is, when the optical film thickness of the gap portion 12 is switched between an odd multiple of “λ / 4” and an even multiple of “λ / 4” (including 0), the high reflection characteristic and the low reflection characteristic are alternated. Will show.
[0052]
By the way, the extinction coefficient k is added to the first layer 11.₁Large metal film (for example, Ta, k₁= 1.90), the optical thickness of the second layer 13 is “λ / 4”.₁Small semiconductor materials (eg Si, k₁= 0.63), the optical film thickness of the second layer 13 is larger than “λ / 4” (however, smaller than λ / 2). As a specific example, for example, the substrate 10 is made of graphite (refractive index n_S= 1.90, k = 0.75), the first layer 11 is made of silicon (refractive index n₁= 4.40, k = 0.63, film thickness 13.09 nm), the second layer 13 is made of Si._ThreeN_FourLaminated film of ITO film and ITO (Indium-Tin Oxide) film (synthetic refractive index n₂FIG. 11 shows the reflection characteristics (design wavelength 550 nm) in the case of forming with = 2.0, k = 0, film thickness 83.21 nm. Here, (a) shows the optical thickness of the gap (air layer) as “0” (low reflection side), and (b) shows the optical thickness as “λ / 4” (137.5 nm) (high reflection side). The characteristics in the case of. 12 and 13 show optical admittance diagrams at that time. FIG. 12 shows the low reflection side, and FIG. 13 shows the high reflection side.
[0053]
In the above two examples, the substrate 10 is assumed to be opaque carbon or graphite. The optical admittance (the same value as the complex refractive index) of carbon and graphite is inside the locus of the circular arc drawn so that the transparent film with a refractive index of 2.0 passes through (1,0) on the admittance diagram. It is suitable as the substrate 10. This is because the optical admittance of many metal materials is arranged outside the circle.
[0054]
For reference, FIG. 14 shows an admittance diagram in which the optical admittance of each material is plotted. FIG. 14 shows simultaneously that n = 2 and TiO.₂The trajectory (n = 2.4) also passes through the air admittance (1, 0). If the material inside the arc is the substrate 10, the material outside the arc is the first layer 11, and the material on the arc is the second layer 13, a combination of film thicknesses with low reflectivity (approximately 0). There is always. For example, the substrate 10 is carbon (C in the figure), the first layer 11 is a material outside the arc of n = 2 (almost all materials in the figure), and the second layer 13 is a material of n = 2 ( Si_ThreeN_Four, ITO, ZnO, etc.), an optical switching element with good characteristics can be realized.
[0055]
Further, as the second layer 13, TiO₂When the substrate 10 is used, the substrate 10 is selected from silicon (Si), carbon (C), tantalum (Ta), germanium (Ge) film, graphite, glass, etc., and the first layer 11 is other than that in the figure. If a metal is selected, an optical switching element with good characteristics can be realized.
[0056]
In FIG. 14, representative metal materials, semiconductors, and the like are plotted, but other materials are also plotted in this figure, and it is easy to select a good combination of materials by focusing on the inside or outside of the arc. it can.
[0057]
By the way, the fact that the optical characteristics of the substrate 10 and the first layer 11 are inside and outside the arc of the second layer 13 as described above is a sufficient condition for realizing an optical structure with good characteristics. Is not a requirement. This is because the trajectory of the synthetic optical admittance when a light-absorbing film (that is, k ≠ 0) is formed on a substrate 10 is changed from the admittance of the substrate 10 to the optical admittance of the material to be linearly formed. Instead of heading, head for the optical admittance of the film-forming material while curving greatly. Therefore, if the degree of curvature is large, the combined optical admittance may cross the arc of the second layer 13 even if the optical admittance of the first layer 11 is inside the arc of the previous second layer 13. .
[0058]
FIG. 15 shows an example. When a graphite film is formed as the first layer 11 on the substrate 10 made of carbon (C), it is bent and crosses an arc of n = 2 twice. At either point, n = 2 films (eg Si_ThreeN_Four, ITO, ZnO, etc.), the optical multilayer structure 1 with good characteristics can be realized.
[0059]
As described above, in the present embodiment, even in the visible light region such as 550 nm, the reflectance at the time of low reflection can be almost 0, and the reflectance at the time of high reflection can be 70% or more. Can be done. Moreover, since the configuration is simple, it can be more easily produced than a diffraction grating structure such as GLV or a complicated three-dimensional structure such as DMD. In addition, the GLV requires six grid-like ribbons for one pixel, but in this embodiment, only one is required, so that the configuration is simple and it is possible to make the ribbon small. Further, since the moving range of the movable part is at most “λ / 2”, a high-speed response of 10 ns level is possible. Therefore, when used as a light valve for display applications, it can be realized with a simple configuration of a one-dimensional array as will be described later.
[0060]
Furthermore, the optical multilayer structure 1 of the present embodiment is essentially different from a narrow-band transmission filter having a structure in which a gap is sandwiched between a metal thin film and a reflective layer, that is, a Fabry-Perot type. The bandwidth of the reflection band can be increased. Therefore, it is possible to take a relatively wide margin for film thickness management at the time of manufacture, and the degree of freedom of design increases.
[0061]
In the present embodiment, since the refractive indexes of the substrate 10 and the first layer 11 may be any value within a certain range, the degree of freedom in material selection is widened. Further, when the substrate 10 is made of an opaque material, incident light is absorbed by the substrate 10 at the time of low reflection, so that there is no fear that stray light or the like is generated.
[0062]
As described above, by using the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, a high-speed and small optical switching element and an image display device can be realized. Details of these will be described later.
[0063]
In the above embodiment, the gap portion of the optical multilayer structure 1 is a single layer, but a plurality of layers, for example, two layers as shown in FIG. 16 may be provided. This is because the first layer 11, the first gap portion 12, the second layer 13, the second gap portion 30, and the third transparent layer 31 are formed in this order on the substrate 10. 13 and the third transparent layer 31 are configured to be supported by supports 15 and 32 made of, for example, silicon nitride.
[0064]
In this optical multilayer structure, the intermediate second layer 13 is displaced up and down, and one gap between the first gap 12 and the second gap 30 is narrowed, so that the other gap is widened. Due to this, the reflection characteristics change.
[0065]
[Driving method]
Next, specific means for changing the size of the gap 12 in the optical multilayer structure 1 will be described.
[0066]
FIG. 17 shows an example in which the optical multilayer structure is driven by static electricity. In this optical multilayer structure, electrodes 16a and 16a made of, for example, aluminum are provided on both sides of the first layer 11 on the transparent substrate 10, respectively, and the second layer 13 is made of, for example, silicon nitride (Si_ThreeN_Four), And electrodes 16b and 16b are formed at positions facing the electrodes 16a and 16a of the support 15.
[0067]
In this optical multilayer structure, the optical film thickness of the gap portion 12 is set to, for example, “λ / 4” and “0” by the electrostatic attraction generated by the potential difference caused by the voltage application to the electrodes 16a and 16a and the electrodes 16b and 16b. Or in a binary manner between “λ / 4” and “λ / 2”. Of course, by continuously changing the voltage application to the electrodes 16a and 16a and the electrodes 16b and 16b, the size of the gap 12 is continuously changed within a certain range of values, and the incident light is reflected or transmitted. Alternatively, the amount of absorption or the like can be changed continuously (analog).
[0068]
As another method for driving the optical multilayer structure with static electricity, the method shown in FIGS. 18 and 19 may be used. In the optical multilayer structure 1 shown in FIG. 18, a transparent conductive film 17a made of, for example, ITO (Indium-Tin Oxide) is provided on the first layer 11 on the transparent substrate 10, and, for example, SiO 2₂The second layer 13 made of is formed in a crosslinked structure, and a transparent conductive film 17b made of ITO is provided on the outer surface of the second layer 13.
[0069]
In this optical multilayer structure, the optical film thickness of the gap portion 12 can be switched by electrostatic attraction generated by a potential difference caused by voltage application between the transparent conductive films 17a and 17b.
[0070]
In the optical multilayer structure shown in FIG. 19, for example, a tantalum (Ta) film is disposed as the conductive first layer 11 instead of the transparent conductive film 17a of the optical multilayer structure shown in FIG.
[0071]
In addition to such static electricity, the optical multilayer structure can be driven by various methods such as a method using a micromachine such as a toggle mechanism or a piezoelectric element, a method using a magnetic force, and a method using a shape memory alloy. 20A and 20B show a mode of driving using magnetic force. In this optical multilayer structure, a magnetic layer 40 made of a magnetic material such as cobalt (Co) having an opening is provided on the second layer 13 and an electromagnetic coil 41 is provided below the substrate 10. By switching the electromagnetic coil 41 on and off, the gap 12 is switched between, for example, “λ / 4” (FIG. 20A) and “0” (FIG. 20B). Thus, the reflectance can be changed.
[0072]
[Optical switching device]
FIG. 21 shows a configuration of an optical switching device 100 using the optical multilayer structure 1. In the optical switching device 100, for example, a plurality (four in the figure) of optical switching elements 100A to 100D are arranged in a one-dimensional array on a substrate 101 made of carbon. In addition, it is good also as a structure arranged not only in one dimension but in two dimensions. In this optical switching device 100, for example, a Ta film 102 is formed along one direction (element arrangement direction) of the surface of the substrate 101. The Ta film 102 corresponds to the first layer 11 of the above embodiment.
[0073]
On the substrate 101, a plurality of Si is provided in a direction perpendicular to the Ta film 102._ThreeN_FourA membrane 105 is provided. Si_ThreeN_FourAn ITO film 106 as a transparent conductive film is formed outside the film 105. These ITO film 106 and Si_ThreeN_FourThe film 105 corresponds to the second layer 13 of the above embodiment, and has a crosslinked structure at a position across the Ta film 102. Between the Ta film 102 and the ITO film 106, a gap 104 whose size changes in accordance with the switching operation (on / off) is provided. The optical film thickness of the gap 104 changes between, for example, “λ / 4” (137.5 nm) and “0” with respect to the wavelength of incident light (λ = 550 nm).
[0074]
The optical switching elements 100 </ b> A to 100 </ b> D have an optical film thickness of the gap 104 of, for example, “λ / 4” and “0” by electrostatic attraction generated by a potential difference caused by voltage application to the Ta film 102 and the ITO film 106. Switch between. In FIG. 21, the optical switching elements 100A and 100C are in the state where the gap 104 is “0” (ie, the low reflection state), and the optical switching elements 100B and 100D are in the state where the gap 104 is “λ / 4” (ie, the high Reflection state). The Ta film 102 and the ITO film 106 and a voltage application device (not shown) constitute the “driving means” of the present invention.
[0075]
In this optical switching device 100, when the Ta film 102 is grounded to have a potential of 0V and a voltage of, for example, + 12V is applied to the ITO film 106 formed on the second layer side, the Ta film 102 and the ITO film 106 are caused by the potential difference. In FIG. 21, the first layer and the second layer are brought into close contact with each other as in the optical switching elements 100A and 100C, and the gap 104 is in a “0” state. In this state, the incident light P₁Passes through the multilayer structure and is absorbed by the substrate 21.
[0076]
Next, when the transparent conductive film 106 on the second layer side is grounded and the potential is set to 0 V, the electrostatic attractive force between the Ta film 102 and the ITO film 106 disappears, and in FIG. 21, like the optical switching elements 100B and 100D. Then, the first layer and the second layer are separated from each other, and the gap portion 12 is in a state of “λ / 4”. In this state, the incident light P₁Is reflected and reflected light P_ThreeIt becomes.
[0077]
Thus, in the present embodiment, the incident light P in each of the optical switching elements 100A to 100D.₁By switching the gap to a binary value by electrostatic force, there is no reflected light and the reflected light P_ThreeCan be switched to a binary value in a state where the error occurs. Of course, the incident light P can be obtained by continuously changing the size of the gap as described above.₁Reflected light P from the state without reflection_ThreeIt is also possible to continuously switch to a state where the occurrence occurs.
[0078]
In these optical switching elements 100A to 100D, since the distance that the movable part has to move is at most about “λ / 2 (or λ / 4)” of incident light, the response speed is sufficiently high to about 10 ns. It is. Therefore, a display light valve can be realized with a one-dimensional array structure.
[0079]
In addition, in the present embodiment, if a plurality of optical switching elements are assigned to one pixel, they can be independently driven. Therefore, when performing gradation display of image display as an image display device, a method using time division In addition to this, gradation display by area is also possible.
[0080]
(Image display device)
FIG. 22 shows a configuration of a projection display as an example of an image display device using the optical switching device 100. Here, the reflected light P from the optical switching elements 100A to 100D_ThreeAn example in which is used for image display will be described.
[0081]
This projection display includes light sources 200a, 200b, and 200c composed of lasers of red (R), green (G), and blue (B), and optical switching element arrays 201a, 201b, and 201c provided corresponding to the respective light sources. A dichroic mirror 202a, 202b, 202c, a projection lens 203, a galvano mirror 204 as a uniaxial scanner, and a projection screen 205. The three primary colors may be cyan, magenta, and yellow in addition to red, green, and blue. Each of the switching element arrays 201a, 201b, and 201c is a one-dimensional array of a plurality of the above switching elements in the direction perpendicular to the paper, for example, the required number of pixels, for example, 1000. ing.
[0082]
In this projection display, the light emitted from the RGB light sources 200a, 200b, and 200c is incident on the optical switching element arrays 201a, 201b, and 201c, respectively. In addition, it is preferable to make this incident angle as close to 0 as possible and to make it enter perpendicularly so that the influence of polarization may not be exerted. Reflected light P from each optical switching element_ThreeIs condensed on the projection lens 203 by the dichroic mirrors 202a, 202b, 202c. The light condensed by the projection lens 203 is scanned by the galvanometer mirror 204 and projected onto the projection screen 205 as a two-dimensional image.
[0083]
As described above, in this projection display, a plurality of optical switching elements are arranged in a one-dimensional manner, RGB light is respectively irradiated, and the light after switching is scanned by a one-axis scanner to display a two-dimensional image. be able to.
[0084]
In the present embodiment, the reflectance at the time of low reflection can be 0.1% or less, and the reflectance at the time of high reflection can be 70% or more. Therefore, a high contrast display of about 1,000 to 1 can be achieved. In addition, since the characteristics can be obtained at a position where the light is perpendicularly incident on the element, it is not necessary to consider polarization or the like when assembling the optical system, and the configuration is simple.
[0085]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the display configured to scan a one-dimensional array of light valves using a laser as a light source has been described. However, as shown in FIG. 23, an optical switching device arranged two-dimensionally A configuration may also be adopted in which light is emitted from the white light source 207 to 206 and an image is displayed on the projection screen 208.
[0086]
In the above embodiment, an example in which a glass substrate is used as the substrate has been described. However, as shown in FIG. 24, for example, a paper shape using a flexible substrate 209 having a thickness of 2 mm or less. The display may be configured such that an image can be seen by direct viewing.
[0087]
Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which the optical multilayer structure of the present invention is used for a display has been described. However, for example, an optical printer other than a display can be used such as drawing an image on a photosensitive drum using an optical printer. It is also possible to apply to various devices such as.
[0088]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical multilayer structure and the optical switching element of the present invention, the first layer having light absorption on the substrate has a size capable of causing the light interference phenomenon and the size thereof. Since it has a structure in which a variable gap and a second layer are provided, the amount of reflection, transmission or absorption of incident light can be changed by changing the size of the gap. With a simple configuration, high-speed response is possible even in the visible light region. Further, by providing a structure in which the first layer and the second layer are in contact with each other in this order by eliminating the gap, it can be used as an antireflection film.
[0089]
Further, according to the image display device of the present invention, the optical switching elements of the present invention are arranged one-dimensionally, and image display is performed using the optical switching device having this one-dimensional array structure. In addition, since the characteristics can be obtained at a position where light is incident perpendicularly to the element, it is not necessary to consider polarization or the like when assembling the optical system, and the configuration is simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration when a gap portion of an optical multilayer structure according to an embodiment of the present invention is “λ / 4”.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration when the gap portion of the optical multilayer structure shown in FIG. 1 is “0”.
3 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the optical multilayer structure shown in FIG. 1. FIG.
4 is a plan view for explaining a process following the process of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining characteristics when a gap portion of an optical multilayer structure using a transparent substrate and a transparent film is “0”.
FIG. 6 is a diagram for explaining characteristics when a gap portion of an optical multilayer structure using a transparent substrate and a transparent film is “λ / 4”.
FIG. 7 is an admittance diagram when the substrate and the first layer are made of metal.
FIG. 8 is a diagram illustrating reflection characteristics of a specific example of the optical multilayer structure illustrated in FIG. 1;
9 is a diagram for explaining optical admittance at the time of low reflection in the example of FIG. 8;
10 is a diagram for explaining optical admittance during high reflection in the example of FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating the reflection characteristics of another specific example of the optical multilayer structure of FIG. 1;
12 is a diagram for explaining optical admittance during low reflection in the example of FIG.
13 is a diagram for explaining optical admittance at the time of high reflection in the example of FIG.
FIG. 14 is an admittance diagram in which the optical admittance of each material is plotted.
FIG. 15 is a diagram for explaining an example in which the reflection can be zero even when the optical admittance of the substrate and the first layer is inside the second layer;
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining still another modification of the first embodiment.
FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining a method of driving the optical multilayer structure by static electricity.
FIG. 18 is a cross-sectional view for explaining another driving method by static electricity of the optical multilayer structure.
FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining still another driving method by static electricity of the optical multilayer structure.
FIG. 20 is a cross-sectional view for explaining a magnetic driving method of the optical multilayer structure.
FIG. 21 is a diagram illustrating a configuration of an example of an optical switching device.
FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration of an example of a display.
FIG. 23 is a diagram illustrating another example of the display.
FIG. 24 is a block diagram of a paper-like display.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Optical multilayer structure, 10 ... Board | substrate, 11 ... 1st layer, 12 ... Gap part, 13 ... 2nd layer, 100-Optical switching apparatus

Claims (20)

基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその光学的な大きさがλ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で、２値的あるいは連続的に変化可能な間隙部、および第２の層をこの順に配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、前記間隙部の大きさを変化させることにより、前記第２の層側から入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化させる光学多層構造体であって、
前記基板を、式（１）を満たすＮ_S （＝ｎ_S −ｉ・ｋ_S ，ｎ_S は屈折率，ｋ_S は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する基板とし、前記第１の層を、式（１）を満たすＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数）の複素屈折率を有する材料により形成し、前記第２の層を、式（１）を満たすｎ₂ の屈折率を有する材料により形成してなる

（但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
光学多層構造体。A first layer having light absorption on the substrate, having a size capable of causing an optical interference phenomenon, and having an optical size that is an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (including 0) And a driving means for changing the optical size of the gap portion, and a gap portion that can be changed in a binary or continuous manner and a second layer in this order. An optical multilayer structure that changes the amount of reflection, transmission, or absorption of light incident from the second layer side by changing the size of the gap,
The substrate is a substrate having a complex refractive index of N _S (= n _S −i · k _S , n _S is a refractive index, k _S is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit) satisfying the formula (1), The first layer is formed of a material having a complex refractive index of N ₁ (= n ₁ −i · k ₁ , where n ₁ is a refractive index and k ₁ is an extinction coefficient) satisfying the formula (1), The layer 2 is formed of a material having a refractive index of n ₂ that satisfies the formula (1).

(However, the refractive index of the incident medium is 1.0)
Optical multilayer structure. 前記第２の層は、透明材料により形成されたものである
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the second layer is formed of a transparent material. 前記基板は、光の吸収のある基板若しくは光の吸収のある薄膜を成膜した基板である
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the substrate is a substrate that absorbs light or a substrate on which a thin film that absorbs light is formed. 前記基板は、透明材料若しくは半透明材料により形成されたものである
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the substrate is formed of a transparent material or a translucent material. 前記第１の層および第２の層のうちの少なくとも一方の層は、互いに光学的特性の異なる２以上の層により構成された複合層である
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein at least one of the first layer and the second layer is a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics. 前記第２の層は、窒化珪素膜よりなる
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the second layer is made of a silicon nitride film. 前記第２の層は、窒化珪素膜および透明導電膜よりなる
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the second layer includes a silicon nitride film and a transparent conductive film. 前記第１の層および第２の層のうちの少なくとも一方は、一部に透明導電膜を含み、前記駆動手段は、前記透明導電膜への電圧の印加によって発生した静電力により、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるものである
請求項１記載の光学多層構造体。At least one of the first layer and the second layer partially includes a transparent conductive film, and the driving unit is configured to generate the gap portion by electrostatic force generated by applying a voltage to the transparent conductive film. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the optical size of the optical multilayer structure is changed. 前記透明導電膜は、ＩＴＯ，ＳｎＯ₂ およびＺｎＯのうちのいずれかにより形成されている
請求項８記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 8, wherein the transparent conductive film is formed of any one of ITO, SnO ₂ and ZnO. 前記間隙部は、空気、または透明な気体若しくは液体で満たされている
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the gap is filled with air, or a transparent gas or liquid. 前記間隙部は、真空状態である
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the gap is in a vacuum state. 前記光の吸収のある第１の層は、金属，酸化金属，窒化金属，炭化物および半導体のうちのいずれかからなる
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the first layer that absorbs light is made of any one of a metal, a metal oxide, a metal nitride, a carbide, and a semiconductor. 前記光の吸収のある基板若しくは光の吸収のある薄膜は、金属，酸化金属，窒化金属，炭化物および半導体のうちのいずれかからなる
請求項３記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 3, wherein the light-absorbing substrate or the light-absorbing thin film is made of any one of metal, metal oxide, metal nitride, carbide, and semiconductor. 前記第２の層の光学的な膜厚が、λ／４（λは入射光の設計波長）以下である
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein an optical film thickness of the second layer is not more than λ / 4 (λ is a design wavelength of incident light). 前記第１の層がシリコンにより形成され、かつ、前記第２の層の光学的な膜厚が、λ／２（λは入射光の設計波長）以下である
請求項１記載の光学多層構造体。2. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the first layer is made of silicon, and the optical film thickness of the second layer is not more than λ / 2 (λ is a design wavelength of incident light). . 前記基板は、カーボン，グラファイト，炭化物若しくは透明材料により形成され、かつ、前記第２の層の光学的な膜厚が、λ／４（λは入射光の設計波長）以下である
請求項１記載の光学多層構造体。The substrate is formed of carbon, graphite, carbide, or a transparent material, and an optical film thickness of the second layer is λ / 4 (λ is a design wavelength of incident light) or less. Optical multilayer structure. 前記基板がカーボン，グラファイト，炭化物若しくは透明材料により形成されると共に、前記第１の層がシリコンにより形成され、かつ、前記第２の層の光学的な膜厚が、λ／２（λは入射光の設計波長）以下である
請求項１記載の光学多層構造体。The substrate is made of carbon, graphite, carbide or a transparent material, the first layer is made of silicon, and the optical thickness of the second layer is λ / 2 (λ is incident) The optical multilayer structure according to claim 1, which is equal to or less than a design wavelength of light. 前記駆動手段は、磁力を用いて前記間隙部の光学的な大きさを変化させるものである
請求項１記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the driving unit changes the optical size of the gap using magnetic force. 基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその光学的な大きさがλ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で、２値的あるいは連続的に変化可能な間隙部、および第２の層をこの順に配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、前記間隙部の大きさを変化させることにより、前記第２の層側から入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化させる光スイッチング素子であって、
前記基板を、式（１）を満たすＮ_S （＝ｎ_S −ｉ・ｋ_S ，ｎ_S は屈折率，ｋ_S は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する基板とし、前記第１の層を、式（１）を満たすＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数）の複素屈折率を有する材料により形成し、前記第２の層を、式（１）を満たすｎ₂ の屈折率を有する材料により形成してなる

（但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
光スイッチング素子。A first layer having light absorption on the substrate, having a size capable of causing an optical interference phenomenon, and having an optical size that is an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (including 0) And a driving means for changing the optical size of the gap portion, and a gap portion that can be changed in a binary or continuous manner and a second layer in this order. An optical switching element that changes a reflection, transmission, or absorption amount of light incident from the second layer side by changing a size of the gap portion,
The substrate is a substrate having a complex refractive index of N _S (= n _S −i · k _S , n _S is a refractive index, k _S is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit) satisfying the formula (1), The first layer is formed of a material having a complex refractive index of N ₁ (= n ₁ −i · k ₁ , where n ₁ is a refractive index and k ₁ is an extinction coefficient) satisfying the formula (1), The layer 2 is formed of a material having a refractive index of n ₂ that satisfies the formula (1).

(However, the refractive index of the incident medium is 1.0)
Optical switching element. １次元または２次元に配列された複数の光スイッチング素子に光を照射することで２次元画像を表示する画像表示装置であって、
前記光スイッチング素子が、
基板上に、光の吸収のある第１の層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその光学的な大きさがλ／４の奇数倍とλ／４の偶数倍（０を含む）との間で、２値的あるいは連続的に変化可能な間隙部、および第２の層をこの順に配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、前記間隙部の大きさを変化させることにより、前記第２の層側から入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化させる光学多層構造体であって、
前記基板を、式（１）を満たすＮ_S （＝ｎ_S −ｉ・ｋ_S ，ｎ_S は屈折率，ｋ_S は消衰係数，ｉは虚数単位）の複素屈折率を有する基板とし、前記第１の層を、式（１）を満たすＮ₁ （＝ｎ₁ −ｉ・ｋ₁ ，ｎ₁ は屈折率，ｋ₁ は消衰係数）の複素屈折率を有する材料により形成し、前記第２の層を、式（１）を満たすｎ₂ の屈折率を有する材料により形成してなる

（但し，入射媒質の屈折率を１．０とする）
画像表示装置。An image display device that displays a two-dimensional image by irradiating light to a plurality of optical switching elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally,
The optical switching element is
A first layer having light absorption on the substrate, having a size capable of causing an optical interference phenomenon, and having an optical size that is an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (including 0) And a driving means for changing the optical size of the gap portion, and a gap portion that can be changed in a binary or continuous manner and a second layer in this order. An optical multilayer structure that changes the amount of reflection, transmission, or absorption of light incident from the second layer side by changing the size of the gap,
The substrate is a substrate having a complex refractive index of N _S (= n _S −i · k _S , n _S is a refractive index, k _S is an extinction coefficient, and i is an imaginary unit) satisfying the formula (1), The first layer is formed of a material having a complex refractive index of N ₁ (= n ₁ −i · k ₁ , where n ₁ is a refractive index and k ₁ is an extinction coefficient) satisfying the formula (1), The layer 2 is formed of a material having a refractive index of n ₂ that satisfies the formula (1).

(However, the refractive index of the incident medium is 1.0)
Image display device.

Images