(57)【要約】【課題】動作が高速で、光の利用効率が高く、それを用いた光学系の構成が簡素であり、また制御が容易であり、製造が容易かつ安価である、光を空間的、時間的に制御する光制御装置。【解決手段】光反射性表面を持つ光学要素６１、６２が複数並列的に配列されて回折格子１区分を構成し、１区分内の所定の光学要素６２が電気的制御により回折格子としての溝深さ方向に位置が変化するものであり、このような構成を用いて回折格子の格子間隔を整数倍（この場合は２倍）変化させるようにして、所定回折次数の回折角が変化するように構成した光制御装置。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子の格子間隔を整数倍変化させるようにして、所定回折次数の回折角が変化するように構成したことを特徴とする光制御装置。
【請求項２】
前記回折格子はブレーズ型、若しくは、ブレーズ型を近似した回折格子であることを特徴とする請求項１記載の光制御装置。
【請求項３】
前記回折格子の格子間隔が２倍変化することで、所定回折次数の回折角が約２倍変化することを特徴とする請求項１記載の光制御装置。
【請求項４】
階段状形状でブレーズ型を近似した回折格子であることを特徴とする請求項２記載の光制御装置。
【請求項５】
光反射性表面を持つ光学要素が複数並列的に配列されて回折格子１区分を構成し、１区分内の所定の光学要素が電気的制御により回折格子としての溝深さ方向に位置が変化するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の光制御装置。
【請求項６】
回折格子１区分が複数個、１次元的若しくは２次元的に配列され、前記各区分は独立に制御されることを特徴とする請求項１記載の光制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射する光に対して射出する光を空間的、時間的に制御する光制御装置に関し、より具体的には、光の回折を利用した光制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
入射する光に対して射出する光を空間的、時間的に制御する装置は、空間光変調器あるいはライトバルブ（光弁）と称される場合もあり、画像表示装置等に利用されている。従来より、この種の装置としては、液晶を利用したもの、形状可変反射鏡を利用したもの、あるいは、傾動可能な微小反射鏡を多数配列したもの等が知られている。
【０００３】
また、制御可能とした回折格子を利用したものも知られている。例えば、特許文献１には、形状可変物体の互いに対向した第１面、第２面に、各々第１の電極、第２の電極を形成し、これら電極に所定の電圧を印加することにより周期的な電場を形成し、以ってその形状可変物体をブレーズ型回折格子となし、印加する電圧を制御することで、その回折格子のブレーズ角を可変とする方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、形状可変物体上に多数の電極を並列的に形成し、以って回折格子となし、これら電極に所定の電圧を印加することでその電極間の間隔が可変とされ、以って周期可変の回折格子となす方法が開示されている。
【０００５】
さらに、回折格子を利用した方法として、特許文献３に開示の方法が知られている。特許文献３によれば、複数の梁状反射素子が基板上に、基板から所定の高さをもって並列的に配列され、これら梁状反射素子に形成された電極と基板に形成された電極との間に所定の電圧を印加することで、これら梁状反射素子と基板との距離を所定の値に制御し、以って、入射光に対し０次反射回折光のみが生ずる場合と、１次以上の反射回折光が生ずる場合を切り換えることが可能とされる。言うまでもなく、回折光は回折次数によって回折方向が異なるので、適当な開口を設けて特定方向のみの反射光、例えば１次反射回折光のみを取り込むようにすれば、梁状反射素子の高さを電気的制御で切り換えることで、光の明状態、暗状態を切り換えられる。本特許文献では、また、これら梁状反射素子をその長手方向を軸として傾動可能とし、これら梁状反射素子が傾いたときブレーズ型回折格子を形成する方法も開示されている。なお、このような回折格子を利用した光変調器はグレーティングライトバルブと称されることもある。
【０００６】
また、特許文献４では、光通信で使われる光スイッチへの利用を目的として、また、特許文献５では、立体画像表示を目的として、上記特許文献３に記載の梁状反射素子に相当する複数のリボンが各々独立に制御され、以って任意の波面を形成する方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第４，０１１，００９号明細書
【０００８】
【特許文献２】
米国特許第５，１１５，３４４号明細書
【０００９】
【特許文献３】
特表２００２−５０３３５１号公報
【００１０】
【特許文献４】
米国特許第６，２６８，９５２号明細書
【００１１】
【特許文献５】
特開２００２−１６２５９９号公報
【００１２】
【非特許文献１】
Ｈ．Ｄａｍｍａｎｎ，”Ｂｌａｚｅｄ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｐｈａｓｅ−Ｏｎｌｙ  Ｈｏｌｏｇｒａｍｓ”，Ｏｐｔｉｋ，ｖｏｌ．３１，ｐｐ．９５−１０４（１９７０）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
空間光変調器を画像表示装置、プリンター等に用いる場合、動作の高速性が必須要件である。特許文献１、特許文献２のものでは、形状可変物体が体積的に圧縮される動作を含むため、必要な高速性を得ることは極めて困難である。また、特許文献１のものでは、ブレーズ型回折格子を構成するので光の利用効率は高いが、回折格子としての周期（格子間隔）は固定である。一方、特許文献２のものでは、格子としての周期は可変であるが、ブレーズ型回折格子を構成することはできない。
【００１４】
特許文献３記載のものにおいては、動作は高速で、画像表示装置等に用いることは十分可能である。しかしながら、梁状反射素子が基板に対して平行に上下する構成の場合、回折格子としてはいわゆる矩形回折格子になり、プラス又はマイナス１次回折光の回折効率は高々４０％程度である。プラス及びマイナス１次回折光の両方を取り込むようにすれば、光の利用効率は８０％程度まで可能となるが、言うまでもなくプラスとマイナス１次回折光の方向は異なるので、両方を取り込むには自ずと光学系が複雑化する。一方、０次回折光を取り込む構成とすると、１次以上の反射回折光が生ずる状態のときであっても実際上相当の０次回折光が発生し、開口で見たとき、明と暗のコントラストが悪い。また、梁状反射素子が傾いてブレーズ型回折格子を構成する場合、プラス又はマイナスどちらか一方の回折光が強く発生し、しかも、特定波長に対しては１００％に近い回折効率が得られるので望ましいが、製造するのが極めて困難で、また制御も難しい。
【００１５】
特許文献４及び特許文献５のものでは、共に梁状反射素子に相当する複数のリボンが全て基板に対して平行を保って駆動される。しかし、各リボンを独立に、しかも、基板からの高さについて、特許文献３のもののように単純な二値でなく、所定の値に制御しなければならない。これは、製造的にも、制御的にも極めて難しい。可能であるとしても、膨大な製造コスト、大掛かりな制御システムを要する。
【００１６】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作が高速で、光の利用効率が高く、それを用いた光学系の構成が簡素であり、また制御が容易であり、さらに、製造が容易かつ安価である、光を空間的、時間的に制御する光制御装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光制御装置は、回折格子の格子間隔を整数倍変化させるようにして、所定回折次数の回折角が変化するように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
この場合に、その回折格子はブレーズ型、若しくは、ブレーズ型を近似した回折格子であることが望ましい。
【００１９】
また、その回折格子の格子間隔が２倍変化することで、所定回折次数の回折角が約２倍変化するものとすることができる。
【００２０】
ブレーズ型を近似した回折格子としては、階段状形状でブレーズ型を近似したものとすることができる。
【００２１】
また、例えば、光反射性表面を持つ光学要素が複数並列的に配列されて回折格子１区分を構成し、１区分内の所定の光学要素が電気的制御により回折格子としての溝深さ方向に位置が変化するものであるように構成することができる。
【００２２】
また、回折格子１区分が複数個、１次元的若しくは２次元的に配列され、その各区分は独立に制御されるものとすることができる。
【００２３】
本発明においては、回折格子の格子間隔を整数倍変化させるようにして、所定回折次数の回折角が変化するように構成したので、その所定回折次数の光を透過する開口等を配置することにより、例えば二値制御可能な空間光変調器等を構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による光制御装置の好適な実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
図１は、本発明の光制御装置をモジュールとして実施した形態の斜視図を示し、支持基板１上に、光制御部本体２、それを駆動するのに必要な電子回路３、３’、また、図示はしないが本モジュールの駆動に必要な電源に接続するための電気接点、本モジュールを利用した光学装置、例えば画像表示装置に本モジュールを組み込む際に必要となる外部回路との電気接点等が配置されている。光制御部本体２は、複数の区分４を有し、各区分が２次元的に配置されている。場合によっては、各区分を１次元配列としてもよい。各区分４は、本モジュールを画像表示装置に応用する場合、１画素に相当する。
【００２６】
図２は、区分４の１つの区分５を拡大して上面から見た状態を示す図であり、光学要素６が複数並列に配置される。
【００２７】
〔第１実施形態〕
図３（ａ）、図４は、区分５の構成に関して、その第１実施形態を、区分５の断面図（図２の直線Ａ−Ａ’に沿う断面図）として示す。図３（ａ）において、符号７は光制御部本体２の基板であり、その上に光学要素６として短冊状の素片６１、６２が、所定の間隙を置いて、また基板７に対して所定の角度φをもって配置される。短冊状素片６１と６２の幅は等しくとり、基板７に垂直に見た幅（投影した幅）をｄとする。図示はしないが、短冊状素片６１、６２は、それら両端部で基板７上に支持される。基板７の１面には電極層８が、必要により絶縁層９を介して形成される。また、図３（ｂ）により詳しく示すように、短冊状素片６１の上面には、電極層１０、さらにその上面に光反射層１１が形成され、短冊状素片６２の上面には、光反射層１１が形成される。電極層１０は、光反射層１１を兼ねて、金属、例えば、アルミニウム、クロム、金等の層としてもよい。また、短冊状素片６１、６２は板バネのように弾性変形可能に構成され、材料としては、例えばポリイミド、シリコン、窒化シリコン等を用いることができる。さらに、基板７上には、短冊状素片６１の基板に近い側の辺に対応する位置にリブ１２が形成される。
【００２８】
このような構造は、一般的に公知の、半導体集積回路（ＩＣ）や、微小機械（マイクロマシンあるいはＭＥＭＳ）の製造技術を用いて実現が可能であり、この場合、基板７にはシリコンウェハーを用い、絶縁層９は、シリコン酸化膜層、電極層８、１０は、金属膜とすることができる。なお、電極層１０と光反射層１１を兼ねて金属膜を蒸着等で形成する場合、短冊状素片６２には電極は不要なので、短冊状素片６２上に形成された金属蒸着膜は、短冊状素片６１上に形成された金属蒸着膜と電気的に絶縁させる処置を施す。
【００２９】
次に、本実施形態の光制御装置の動作について説明する。図４は、電極層８と短冊状素片６１の電極層１０の間に所定の電圧を印加した状態を示す。すなわち、図３（ａ）の状態で、電極層８と電極層１０に所定の電圧を印加すると、これら電極８、１０間に静電引力が働いて、弾性変形可能な短冊状素片６１は、その両端部を除いて基板７の方向に移動し、基板７に近い側の辺がリブ１２に当たって停止する。このとき、短冊状素片６１は短冊状素片６２と繋がり実質的に１つの面を構成する。
【００３０】
図３（ａ）の状態を状態Ｉ、図４の状態を状態ＩＩとすると、状態Ｉの場合、区分５の中にある短冊状素片６１、６２は格子間隔ｄのブレーズ型回折格子を構成する。一方、状態ＩＩの場合、一組の短冊状素片６１、６２が実質的に１つの面を構成するから、他の短冊状素片の組と共に格子間隔２ｄのブレーズ型回折格子を構成することになる。一般に、格子間隔Ｄの回折格子に波長λの光が垂直に入射すると、回折角をψ、回折次数をｍとして次式が成り立つ。
【００３１】
Ｄ・ｓｉｎψ＝ｍλ                                    ・・・（１）
今、０次を除き回折角が一番小さい回折次数が１の場合について考えると、状態Ｉの場合、ｍ＝１に対して、そのときの回折角をθ１  とすると、
ｓｉｎθ１  ＝λ／ｄ                                    ・・・（２）
となるのに対し、状態ＩＩの場合、ｍ＝１に対して、そのときの回折角をθ２  とすると、
ｓｉｎθ２  ＝λ／２ｄ                                  ・・・（３）
となるから、
ｓｉｎθ１  ＝２ｓｉｎθ２                                ・・・（４）
となり、θ１  、θ２  が小さい場合は、
θ１  ≒２θ２                                            ・・・（５）
となる。
【００３２】
したがって、状態Ｉの場合、最小の回折角であっても、θ２  の約２倍である。そこで、その後に続く光学系に光を取り込む開口として、θ２  方向のみの回折光を取り込むような開口１３を設ければ、状態Ｉの場合、どのような次数の回折光もθ２  方向には出ないから、開口１３に光は入らない。言うまでもなく、状態ＩＩの場合は、１次回折光が開口１３を通過する。しかも、ブレーズ型回折格子となっているから、図４に示す格子深さｈ２  をλ／２にとると、極めて高い１次回折効率、理想的には１００％に近い回折効率となる。このとき、マイナス次数を含めその他の次数の回折光は殆ど発生しないので、この開口１３に回折光の大部分が集中し、光の利用効率が高くなる。同時に、開口１３として光制御部本体２に続く光学系に１つを設ければよいので、この後に続く光学系の構成が容易になる。
【００３３】
なお、状態Ｉの場合、格子深さｈ１  はλ／４となるので、０次を含め１次以外の回折光も強く発生するが、図３（ａ）では１次回折光のみを示した。
【００３４】
このように、本発明によれば、光制御部本体２に入射した光は各区分４毎に、状態Ｉ、すなわち暗状態と、状態ＩＩ、すなわち明状態の何れかの状態に制御される。
【００３５】
なお、上記の説明では、格子の周期の数が十分多いと仮定しているが、ある回折次数の回折光について、その角度分布は格子の周期の数に依存し、数が多い程狭い角度範囲にその次数の回折光が集中する。図４では３周期分としているが、さらにこれを増やせば、ある幅をもつ開口１３を通過する光の強度が増すことになって好ましい。ただし、画像表示装置に応用する場合等、実用上は３周期分あれば十分である。
【００３６】
また、図４では、格子１周期を２つの短冊状素片で構成するよう示しているが、３つ以上の短冊状素片で構成することも可能である。例えば３つの短冊状素片で構成する場合、状態Ｉにおける１次回折角は状態ＩＩの回折角の約３倍となって明暗コントラスト比の点で好ましいが、中間の短冊状素片の高さ制御が難しく、また、製造的にも複雑になり、したがってコスト高になる。実用的には、２つの短冊状素片で構成すればよい。
【００３７】
〔第２実施形態〕
図５、図６は、区分５（図２）の構成に関して、その第２実施形態を、区分５の断面図（図２の直線Ａ−Ａ’に沿う断面図）として示す。図５において、符号７は光制御部本体２の基板であり、その上に光学要素６として断面が階段状の素片６３、６４が、所定の間隙を置いて配置される。階段状素片６３、６４は同様の形状を有し、それぞれ、基板７に対して平行な面、６３１と６３２、６４１と６４２を持つ。
【００３８】
ここで、階段状素片６３、６４の、基板７に垂直に見た幅（投影した幅）をｄ、面６３１と面６３２、面６４１と面６４２の高さの差をｈ３  とする。これら以外の構成要素は、第１実施形態と同様であり、階段状素片６３は短冊状素片６１に、階段状素片６４は短冊状素片６２のそれぞれ対応する。
【００３９】
次に、本実施形態の光制御装置の動作について説明する。図６は、電極層８と階段状素片６３に設けられた電極層１０（図３（ｂ）参照）の間に所定の電圧を印加した状態を示す。すなわち、図５の状態で、電極層８と電極層１０に所定の電圧を印加すると、これら電極８、１０間に静電引力が働いて、弾性変形可能な階段状素片６３は、その両端部を除いて基板７の方向に移動し、基板７に近い側の辺がリブ１２に当たって停止する。このとき、階段状素片６３は２×ｈ３  だけ移動し、階段状素片６４と組になって、４段の階段で斜面を近似した形をとる。なお、これらの図５、図６では分かりやすさのためｈ３  を大きく描いているが、実際的には、入射光として可視光を考えたとき、ｈ３  は大まかに０．１μｍ以下、幅ｄは１０μｍ程度にできるので、階段状素片６３、６４は平面に近く、段差があっても階段状素片６３、６４の弾性変形は十分可能である。
【００４０】
図５の状態を状態ＩＩＩ、図６の状態を状態ＩＶとすると、状態ＩＩＩの場合、区分５の中にある階段状素片６３、６４は格子間隔ｄの矩形断面回折格子を構成する。一方、状態ＩＶの場合、一組の階段状素片６３、６４が４段の階段で斜面を近似した形を構成するから、他の階段状素片の組と共に格子間隔２ｄのブレーズ近似型回折格子を構成することになる。なお、このようなブレーズ形状を階段状形状で近似するという考えは公知であり、例えば非特許文献１に記されている。ただし、本実施形態のような考え方は全く示唆されていない。
【００４１】
本実施形態の作用は、基本的に第１実施形態と同様であるが、第１実施形態の状態ＩＩと、本実施形態の状態ＩＶを比べたとき、本実施形態では、格子形状がブレーズ近似形状となっているので回折効率がやや劣り、格子周期の数が十分多いとすると、所定の波長に対し８０％程度になる。ブレーズ形状を近似する段数を増やせば、例えば８段にすると９５％程度にできるが、製作工程がやや複雑になる。実用的には、図６に示したように４段で十分な場合が多い。
【００４２】
本実施形態では、光学要素を基板７に対して平行な面６３１、６３２、６４１、６４２で構成しているので、第１実施形態に比べて、半導体製造技術を用いて製作する場合等、製作が容易になる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光制御装置によると、回折格子の格子間隔を整数倍変化させるようにして、所定回折次数の回折角が変化するように構成したので、その所定回折次数の光を透過する開口等を配置することにより、動作が高速で、光の利用効率が高く、それを用いた光学系の構成が簡素であり、また、制御が容易であり、さらに、製造が容易かつ安価である、光を空間的、時間的に制御する光制御装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光制御装置をモジュールとして実施した１つの形態の斜視図である。
【図２】図１の１つの区分を拡大して上面から見た状態を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態の１つの区分の構成を示す断面図（ａ）と、その区分内の電気的制御可能な短冊状素片の断面図（ｂ）である。
【図４】第１実施形態の各区分における電気的制御可能な短冊状素片に電圧を印加した状態の図３と同様の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態の１つの区分の構成を示す断面図である。
【図６】第２実施形態の各区分における電気的制御可能な階段状素片に電圧を印加した状態の図３と同様の断面図である。
【符号の説明】
１…支持基板
２…光制御部本体
３、３’…電子回路
４…区分
５…１つの区分
６…光学要素
７…光制御部本体の基板
８…電極層
９…絶縁層
１０…電極層
１１…光反射層
１２…リブ
１３…開口
６１、６２…短冊状素片
６３、６４…階段状素片
６３１、６３２、６４１、６４２…基板に対して平行な面
【図１】
2004163652.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004163652.tif 000007
【図６】
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