(57)【要約】【課題】高速，高信頼性かつ安価なマトリックス型光スイッチ及びそれを用いた投影機を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、ｍ×ｎ個の画素を有する投影機用に用いられるマトリックス型の光スイッチであって、該マトリックス型光スイッチは入射スポットｍ×ｎ個を有し、それぞれの入射スポットに酸化物からなる非線形光学薄膜を有し、光，熱，電気などのエネルギーにより非線形光学薄膜の屈折率が変化する現象を利用したマトリックス型光スイッチである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射スポットｍ×ｎ個を有するマトリックス型光スイッチにおいて、該マトリックス型光スイッチはｍ×ｎ個の入射スポットに対応した非線形光学薄膜を有することを特徴とするマトリックス型光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載された光スイッチにおいて、該非線形光学薄膜にエネルギーを付与する機構を有することを特徴とするマトリックス型光スイッチ。
【請求項３】
請求項１または２に記載された光スイッチにおいて、該光スイッチはｍ×ｎ個の出力ポートを有し、該非線形光学薄膜面にて反射した信号光を出力ポートに出力することを特徴とするマトリックス型光スイッチ。
【請求項４】
請求項２に記載された光スイッチにおいて、入射スポットに入力された信号光が該非線形光学薄膜に到達する場合に、指定された信号の到達するスポットの非線形光学薄膜にエネルギーが付与され、該非線形光学薄膜面で反射した信号光を出力ポートに出力することを特徴とするマトリックス型光スイッチ。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載された光スイッチにおいて、該非線形光学薄膜に付与されるエネルギーは電気，熱，光のいずれかであることを特徴とするマトリックス型光スイッチ。
【請求項６】
請求項２に記載された光スイッチにおいて、該光スイッチは鋸歯状の凹凸を有するガラスまたは有機樹脂からなる基板と、透明なマトリクス電気配線を有することを特徴とするマトリックス型光スイッチ。
【請求項７】
請求項１に記載された光スイッチにおいて、該非線形光学薄膜はＦｅを含む酸化物を主成分とすることを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
入射スポットｍ×ｎ個と、該入射スポットに対応するｍ×ｎ個の出射ポートを有するマトリックス型光スイッチを適用した画素数がｍ×ｎの画像情報を表示する投影機であって、該投影機は可視光を発生する光源と、ｍ×ｎ個の画素に対応した非線形光学薄膜と、画素への光の入力に対応して非線形光学薄膜にエネルギーを印加する機構とを有することを特徴とする投影機。
【請求項９】
請求項８に記載された投影機において、該エネルギーを印加する機構により印加されるエネルギーの強度を制御し、画像を諧調表示することを特徴とする投影機。
【請求項１０】
請求項８または９に記載された投影機において、該画素に入力される光を、エネルギーを印加された非線形光学薄膜で反射し、画像情報が投影されることを特徴とする投影機。
【請求項１１】
請求項８ないし１０のいずれかに記載された投影機において、該投影機は走査電極とデータ電極を有し、前記走査電極と前記データ電極とは非線形光学薄膜上で交差しており、該走査電極に走査信号を順次印加し、前記データ電極にデータ信号を順次印加することにより、非線形光学薄膜にエネルギーが印加される機構を有することを特徴とする投影機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マトリックス型光スイッチに関するものであり、また該マトリックス型光スイッチを用いた動画または静止画像情報の投影機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）投影機とは、約１６μｍ角という小さなミラーを１画素に割り当て、画素のミラーによって光を反射し、スクリーンへ投射するというディスプレイである（非特許文献１）。ＤＭＤは鏡を動かし、反射光のＯＮ／ＯＦＦで白黒を出す、フルデジタルのデバイスであるが、ひとつの鏡に対し、ＲＧＢの３原色を時分割で当てることで、カラーを階調表現している。従来の液晶ではＲＧＢの３ドットで１画素を構成するのに対し、ＤＭＤでは１ドットが１画素であるため、液晶に比べて光の利用効率は３倍となる。
【０００３】
ＤＭＤ投影機には、ＭＥＭＳ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍｉｃｒｏ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｓｙｓｔｅｍ）型のマトリックス型光スイッチが用いられている。ＭＥＭＳ型光スイッチのスイッチングに要する時間は数１０ｍｓ程度であり、最高速のもので数μｓ程度である。
【０００４】
【非特許文献１】
ＦＬＡＴ　ＰＡＮＥＬ　ＤＩＳＰＬＡＹ，　１９９９，　ｐ．　１９６−１９７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＭＥＭＳ型光スイッチを投影機に用いる場合、大マトリックス型の光スイッチとする必要がある。ＭＥＭＳ型光スイッチは精密で微細な機械部品であり、特に大マトリックス型の場合には高価である。また、機械的駆動部分が多いため、頻繁にメンテナンスを必要とする。本発明の目的は容易に作製可能なマトリクス型光スイッチと、それを用いた投影機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、光機能性材料の非線形光学効果を利用した光スイッチである。具体的には、入射スポットｍ×ｎ個を有するマトリックス型光スイッチであって、該マトリックス型光スイッチのｍ×ｎ個の入射スポットに酸化物系非線形光学薄膜を有することを特徴とするマトリックス型光スイッチである。
【０００７】
また、何らかの外場の印加により酸化物系非線形光学薄膜の光学的性質が変化する現象をスイッチングに応用し、該非線形光学薄膜にエネルギーを付与する機構を有することを特徴とするマトリックス型光スイッチである。
【０００８】
酸化物系非線形光学薄膜の光学的性質は特異であり、外場の印加により屈折率が大幅に変化する。この現象を利用すると、酸化物系非線形光学薄膜に光信号が入射する際、該薄膜に外場を印加しない場合は光信号を透過または吸収し、外場を印加することにより光信号を反射させることができる。
【０００９】
従って上記の該非線形光学薄膜にエネルギーを付与する機構を有する光スイッチでは、非線形光学薄膜面にて反射した信号光をｍ×ｎ個の出力ポートに出力することを特徴とするマトリックス型光スイッチが最も望ましい形態である。
【００１０】
この際、非線形光学薄膜上にマトリックス状の局所的エネルギー印加機構を設けることにより、非線形光学薄膜はマトリックス型光スイッチとなる。
【００１１】
印加エネルギーに関して検討した結果、該非線形光学薄膜に印加するエネルギーは電気，熱，光のいずれでもよく、印加エネルギーがおおむね０．１　から１０ＧＷ／ｍ２　の範囲の場合に薄膜の光学物性の変化が大きいことを見いだした。つまり、非線形光学薄膜上にマトリックス型の電気配線を設け、非線形光学薄膜の単位面積あたりに１０ＧＷ／ｍ２　以下の電気エネルギーを印加する機構を有するマトリックス型光スイッチは、最も容易で安価に得られる光スイッチとなる。電気配線により局所的に熱を発生させ、その熱を外場として印加するマトリックス型光スイッチに関しても、同様の効果が得られる。ここで、電気配線はＩＴＯ等の透明電極材料を用いることが望ましい。また、面発光レーザ等の機構を用いれば、印加エネルギーを光としたマトリックス型光スイッチが得られる。
【００１２】
また、酸化物系非線形光学薄膜材料に印加するエネルギーを変化させることにより、屈折率変化量を変えられることを確認した。従って、画像表示装置に適用した場合に、印加エネルギーを各画素毎に制御することにより、階調表示が可能である。
【００１３】
酸化物系非線形光学薄膜材料の構成元素に関して検討した結果、該薄膜がＦｅを含む場合に最も透明度が高く、また外場の印加により屈折率等の光学物性が大きく変化することを見いだした。よってマトリックス型光スイッチに用いる非線形光学薄膜は、Ｆｅ含有酸化物系の薄膜がのぞましい。
【００１４】
本発明の投影機は、上記した光スイッチを有するものである。本発明のマトリックス型光スイッチは非常に簡単な構造をしており、かつスイッチング速度が極めて速いため、動画対応の投影機に適用することが可能である。その際には、投影する画像情報の画素数に対応するマトリックス型光スイッチ、画像情報の画素のＯＮ／ＯＦＦに対応して該マトリックス型光スイッチ要素を励起する機構、及び可視光光源を有する投影機とすればよい。また印加エネルギーを制御することにより出力を階調表示することが可能である。
【００１５】
この際当然、１つ１つの画素に対応した光スイッチは、表示する画像情報を構成する画素に対応してエネルギーが印加されるべきであり、前記投影機は、画像情報に対応してマトリックス型光スイッチの各要素にエネルギーを印加するための電気回路及び、マトリックス配線を有する。このような手法でモノクロの静止画，動画の表示が可能であるが、光の３原色に分解された画像情報それぞれに応じた前記投影機及び、分解された３原色の画像情報を合成する機構を有する投影機とすれば、カラー動画対応の投影機となる。
【００１６】
光スイッチ要素に印加すべきエネルギーが比較的大きい場合は、表示する画像情報を構成する画素に対応する光スイッチ要素上で交差する走査電極とデータ電極を有し、前記走査電極に走査信号を順次印加するとともに、前記データ電極にデータ信号を順次印加して、表示画素に対応した該マトリックス型光スイッチ要素にエネルギーを印加するマトリックス型光スイッチの駆動方法を採用することにより、時分割的に光スイッチにエネルギーを印加することができる。このようなエネルギー印加方法により、マトリックス型光スイッチ全体を励起する見かけ上のエネルギーを大幅に節減できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１８】
マトリックス型光スイッチとして適当な形態は、鋸歯状の凹凸を有するガラスまたは有機樹脂と、非線形光学薄膜と、透明なマトリックス電気配線とにより構成されていることを特徴とするマトリックス型光スイッチとする。この際、鋸歯状の凹凸の一方の斜面に信号光が入射する機構とし、突起の底面に位置する非線形光学薄膜面にて反射した信号光を、もう一方の斜面から出射する機構の光スイッチとする。
【００１９】
図１（ａ）に示すような鋸歯状の断面を有するガラス基板１（頂点から底面までの厚さ：３ｍｍ，屈折率１．９）及び、平面状のガラス基板５（厚さ３ｍｍ，屈折率１．９）を用意する。
【００２０】
鋸歯状の断面を有する光学ガラスの底面に、スパッタ装置を用いて非線形光学薄膜２を付けた。成膜条件は以下の通りである。
（１）酸化物薄膜組成：Ｆｅ２Ｏ３，ＳｉＯ２　，ＴｉＯ２　の複合酸化物（組成重量比で９５：３：２）
（２）スパッタガス：Ａｒ＋２０％Ｏ２　，５ｍＴｏｒｒ
次に、上記薄膜をｍ×ｎの光スイッチとして分割するため、平面上のガラス基板５に、ｍ×ｎのマトリックス状の画素電極３，ＴＦＴ４、およびデータバス電極，ゲートバス電極を設ける。
【００２１】
このようにして上下面のガラス基板にそれぞれ非線形光学薄膜及びマトリックス配線を付け、両者を完全に密着させた状態でガラス基板側面を封止する。
【００２２】
マトリックス配線にてｍ×ｎに分割された非線形光学薄膜に、配線を通して電気的なエネルギーを印加する場合は、各薄膜の部分に１．５ＧＷ／ｍ２のエネルギーが印加されるように電気回路を調整した。
【００２３】
次に、上記のようにして得られたマトリックス型光スイッチの動作確認を兼ね、最も簡単な構造の投影機を作製した。図２に模式図を示す。図２中、６は光源、７はプロジェクションレンズ、８は画面上のピクセルイメージである。９は、平面状のガラス基板であるが、希土類元素を添加したガラス基板としており、これは薄膜を通過した光のアブソーバとして作用するようにした。
【００２４】
光源６から照射された平行光は、鋸歯状の光学ガラス基板に入射し、底面に位置する非線形光学薄膜に到達する。このとき表示画像に対応して、ガラス基板９上に設けられたマトリックス電気配線により部分的に励起された非線形光学薄膜部分では入射光が反射し、また励起されていない部分では、入射光はそのまま下部のアブソーバに吸収された。反射光は光学レンズ１０にてプロジェクションレンズ部に集結され、同レンズを通して投影することにより、画像イメージ８が投影された。
【００２５】
このような実験を、光源を赤，青，緑の３原色について行った。赤色の光源及び青色の光源を用いた場合、マトリックス型光スイッチの反射効率は９５％と高く、極めて高精細で明るい画像が投影された。一方、緑色の光源を用いた場合は、反射効率が８０％程度と低かったものの、精細で明るい画像が投影された。
【００２６】
図３は薄膜の屈折率変化に対応した反射率，透過率の計算結果を示す図である。印加エネルギーを変化させることにより、薄膜の屈折率はおおむね１．６　から１．９　の範囲で単調に変化させることができる。この現象を利用し、上記実験系において印加エネルギーを１．５ＧＷ／ｍ２から０．５ＧＷ／ｍ２に下げて、同実験を繰り返した。その結果、反射効率は上記の約５０％にまで低下した。このように印加エネルギーを多段階に制御することにより、多階調の画像が投影された。
【００２７】
上記の屈折率変化は高速に起きるため、上記画像表示装置のスイッチング速度は数ｎｓ程度以下となった。また、機械駆動部分がないため故障が少なく安価な画像表示装置を製造できた。
【００２８】
上記のように、透明電極のマトリックス配線を用い、反射光のみを必要な出力として取り出すことができる画像表示装置を提供できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、安価で信頼性の高いマトリックス型光スイッチが得られる。また上記マトリックス型光スイッチを用いることにより、安価で信頼性の高い投影機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マトリックス型光スイッチの構造図。
【図２】マトリックス型光スイッチを用いた投影機の原理図。
【図３】非線形光学薄膜の屈折率に対応した反射率，透過率の計算結果。
【符号の説明】
１…鋸歯状のガラス基板、２…非線形光学薄膜、３…画素電極、４…ＴＦＴ、５…光アブソーバを有するガラス基板、６…光源、７…プロジェクションレンズ、８…画面上のピクセルイメージ、９…平面状のガラス基板、１０…光学レンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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