(57)【要約】【課題】光の利用効率が高く、制御が容易であり、さらに、製造が容易かつ安価な光制御装置を含み、光学系が簡素で、小型かつ解像の高いカラー画像表示装置等の光学装置。【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、回折角が変化するように構成した光制御装置を用い、その回折光が開口１３を通過できたり通過できなくなるようにすることにより、各区分を画素として１次元あるいは２次元の画像を表示することができる。【選択図】        図３
2004163653.tif 000002
【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された光制御装置を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
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された光制御装置、該光制御装置の回折面を物体面とするレンズ、該レンズの焦平面に置かれた開口を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項３】
白色光を発する光源を有する照明系によって前記光制御装置の回折面が照明され、該光制御装置に波長帯に応じた情報が時間的に分離して送られ、該波長帯に対応した位置に前記開口の位置が制御されることを特徴とする請求項１又は２記載の光学装置。
【請求項４】
カラー画像表示装置として構成されたことを特徴とする請求項３記載の光学装置。
【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を用いた光学装置に関し、より具体的には、光の回折を利用した光制御装置を用いた光学装置、例えば画像表示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、回折格子を利用した方法も知られている。特許文献１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。
【０００４】
また、特許文献１には、このような光変調器をカラー画像表示装置に用いる方法が示され、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれに対応する上記のような光変調器を備え、白色光で照明してカラー画像を得ることができるとされている。
【０００５】
また、特許文献２や特許文献３には、上記と同様の光変調器を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれに対応して備え、白色光又はＲ、Ｇ、Ｂそれぞれ独立の光源で照明して、カラー画像を得る方法が示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特表２００２−５０３３５１号公報
【０００７】
【特許文献２】
米国特許第５，８０８，７９７号明細書
【０００８】
【特許文献３】
米国特許第６，２１９，０１５号明細書
【０００９】
【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や、特許文献２、３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。
【００１０】
まが、上記特許文献に示される光変調器あるいはライトバルブを用いてカラー画像表示装置に用いる場合、これら特許文献に示されるように、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）にそれぞれ対応する光変調器を備えることは可能であり、この場合、Ｒ、Ｇ、Ｂにそれぞれ対応する独立の光変調器を設けるいわゆる３板式、又は、微小なＲ、Ｇ、Ｂ対応領域を隣接させて多数配置したいわゆる単板式とすることができる。何れの場合も、Ｒ、Ｇ、Ｂにそれぞれ対応して光変調器を最適設計できるのは好ましい。しかしながら、３板式は各々の光変調器の製造は比較的容易で、画質的にも好ましいが、光学系が複雑化し、カラー画像表示装置として大型化、高価格化することは避けられない。また、単板式は、カラー画像表示装置として小型化しやすいが、光変調器の製造が難しく、解像の点でも３板式に比べ不利である。
【００１１】
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、光の利用効率が高く、制御が容易であり、さらに、製造が容易かつ安価な光制御装置（光変調器）を含み、それを用いた光学装置として光学系が簡素で、小型かつ解像の高いカラー画像表示装置等の光学装置を提供することである。
【００１２】
【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学装置は、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された光制御装置を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明のもう１つの光学装置は、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された光制御装置、該光制御装置の回折面を物体面とするレンズ、該レンズの焦平面に置かれた開口を含むことを特徴とするものである。
【００１４】
この場合に、白色光を発する光源を有する照明系によってその光制御装置の回折面が照明され、その光制御装置に波長帯に応じた情報が時間的に分離して送られ、その波長帯に対応した位置に開口の位置が制御されるようにすることが望ましい。
【００１５】
以上のような光学装置は、例えばカラー画像表示装置として構成することができる。
【００１６】
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された光制御装置を含み、その光制御装置の回折面を物体面とするレンズと、そのレンズの焦平面に置かれた開口を含むので、光制御装置の各区分の回折角を画素情報等に応じて制御することにより、各区分を画素として１次元あるいは２次元の画像を表示することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による光学装置の好適な実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明の光学装置に用いる光制御装置をモジュールの斜視図を示し、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。
【００１９】
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。
【００２０】
図３（ａ）、図４は、区分５の断面図（図２の直線Ａ−Ａ’に沿う断面図）である。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。
【００２１】
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。
【００２２】
次に、このような構造の光制御部の各区分４（５）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
このように、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
次に、本発明の光学装置を上記の光制御装置を含む画像表示装置等として実施した形態を、図５、図６、図７、図８を参照しつつ説明する。図５において、符号２０は上記の光制御装置であり、側面から見た状態を示す。また、光制御部本体２の各区分４の回折格子としての溝の方向は、紙面に対し垂直になるよう配置される。
【００３１】
なお、以下においては、光制御部本体２を光変調器２と称する。符号２１、２２は光変調器２を照明する照明系を構成し、２１は白色光源、２２は集光を兼ねたコリメートレンズである。光源２１としては、発光部の大きさがなるべく小さいもの、例えば尖端放電電極を持つようなランプが好ましい。あるいは、Ｒ、Ｇ、Ｂに発振ラインを持つマルチラインのレーザーを用いてもよいが、この場合、必要な光束径とするため、ビーム拡大光学系（図示せず）が用いられる。コリメートレンズ２２は、図５では１枚レンズのように示されているが、収差補正されていることが望ましいので、一般的には複数枚のレンズ素子よりなる。この照明系の光軸２３は、後述する結像レンズ２４の光軸２５に対しθの角度をなす。
【００３２】
このように照明された光変調器２は、表示すべき画像情報に基づいて、各区分（画素）４毎に時間的に制御され、図４で示した状態ＩＩのとき、所定次数（通常は１次）の回折光２６が強く発生する。なお、図４では分かりやすさのため、入射光は垂直に入るとしたが、回折格子の作用としてはこれに限られるものではなく、一般的に、図８に示すように、入射角θと回折角θ’には、格子間隔をＤ、回折次数をｍ、光の波長をλとして次の関係がある。
【００３３】
Ｄ（ｓｉｎθ＋ｓｉｎθ’）＝ｍλ                      ・・・（６）
ただし、ここでは、角度θとθ’は、回折面の法線９１に対し右回りをプラスにとるとする。
【００３４】
したがって、ある波長λ、０ではない入射角θに対し、回折角θ’を０にとることも可能で、図５はこの状態を示している。状態ＩＩにある区分４から発した回折光２６は、結像レンズ２４に入射し、開口２７を経て、像面２８で像を結ぶ。結像レンズ２４は、図では１枚レンズのように示されているが、収差補正のため一般的には複数枚のレンズ素子よりなる。開口２７は、その中心が光軸２５上にあり、結像レンズ２４の後側焦平面に配置される。また、開口２７は開口移動装置２９に繋がれ、光軸２５に対し垂直に移動させることができる。
【００３５】
次に、図５の状態にある光学系の動作について説明する。今、分かりやすさのため、白色光源２１は点光源と見なせる程十分小さいとすると、白色光源２１を発した光がコリメートレンズ２２によって平行光束となって光変調器２を照明する。２ｄｓｉｎθ＝λＧ  となるよう入射角θと波長λＧ  を選べば、波長λＧ  に対しては、状態ＩＩにある区分４から発した回折光２６の１次回折角θ’は０になる。一方、図３（ａ）で示した状態Ｉにある区分４からは、いかなる次数の回折光もθ’＝０の方向には出ない。波長λＧ  は白色光源２１が発する光の波長の中のある特定の波長であり、カラー画像表示装置に本発明を用いる場合では、Ｇ（緑）帯域の中心波長とする。波長λＧ  以外の光については、回折角θ’は光軸２５に対しある傾きを持つ。しかしながら、結像レンズ２４の後側焦平面に置かれた開口２７により、一定以上の傾きを持った回折光は制限される。すなわち、開口２７を通過できる光は波長λＧ  近傍の光に限られる。開口２７の開口を大きくすると、通過する光の波長帯域が拡がり、同時に明るくなるが、大きすぎると、カラー画像を表示する際の色再現性が劣化する。さらに、結像レンズ２４の後側焦平面に置かれた開口２７は、図３（ａ）、図４で示した開口１３の機能を全ての区分４に対して果たしており、開口として大きすぎると、状態Ｉのときに発生する回折光を取り込んでしまう可能性がある。白色光源２１が点光源ではなく、ある大きさを持つ場合、仮に光源２１が単色光源であったとしても、開口２７は明るさ絞りとして作用するので、明るさと色再現性のバランスも考慮して開口２７の大きさは決められる。
【００３６】
以上の説明から分かるように、開口２７を適当な大きさに設定したとすれば、光変調器２の各区分４（画素）の中、状態ＩＩ（明状態）にある区分からは、開口２７を通過する波長がλＧ  近傍の回折光が発生し、像面２８に像を結ぶ。このとき、各区分について、単位時間内での状態Ｉ（暗）と状態ＩＩ（明）の時間割合を制御すれば、明暗の階調が得られる。
【００３７】
図６は、図５が波長λＧ  に対応する状態であったのに対し、波長λＢ  に対応する状態を示す。波長λＢ  は、白色光源２１が発する光の波長の中のある特定の波長であり、カラー画像表示装置に本発明を用いる場合では、Ｂ（青）帯域の中心波長である。λＢ  ＜λＧ  であるから、λＢ  に対する１次回折角θ’はマイナスとなり、それに対応して開口２７を開口移動装置２９により概ね｜ｆｓｉｎθ’｜だけ、図６では上方に、移動させる。ただし、ｆ  は結像レンズ２４の焦点距離である。それ以外の構成、動作、作用については、図５と同様である。
【００３８】
また、図７は、波長λＲ  に対応する状態を示す。波長λＲ  は白色光源２１が発する光の波長の中のある特定の波長であり、カラー画像表示装置に本発明を用いる場合では、Ｒ（赤）帯域の中心波長である。λＧ  ＜λＲ  であるから、λＲ  に対する１次回折角θ’はプラスとなり、それに対応して開口２７を開口移動装置２９により概ねｆｓｉｎθ’だけ、図７では下方に、移動させる。それ以外の構成、動作、作用については図５と同様である。
【００３９】
以上のように、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する状態が、開口２７を移動させることで実現される。すなわち、光変調器２にＲの信号を送っているときは、開口２７が図７の状態、光変調器２にＧの信号を送っているときは、開口２７が図５の状態、光変調器２にＢの信号を送っているときは、開口２７が図６の状態となるよう、開口移動装置２９を制御する。この開口２７の移動は、圧電素子やボイスコイル等を用いて実現できる他、円板の中心から異なる３種類の距離に３つ以上の開口を開け、この円板をモーターで回転させることによっても実現できる。また、機械的手段によらず、例えば液晶パネル、エレクトロクロミック素子等で開口を構成し、電気的に移動可能としてもよい。何れの場合も、この３状態を高速に切り換えることで、カラー画像表示が可能になる。
【００４０】
本発明を、カラーではなくモノクロームの画像表示装置や、プリンターに応用する場合は、図５の状態のみでよく、言うまでもなく開口移動装置２９は不要である。ただし、波長はλＧ  に限らず、適宜設定する。
【００４１】
また、像面２８は、最終像面、例えば表示スクリーンである必要はなく、像面２８を中間像面として、この後にズームレンズ光学系等を配置して像面をリレーするようにしてもよい。
【００４２】
さらに、光変調器２の各区分４が２次元的に配列されている場合は、上記構成で２次元画像が得られるが、光変調器２の各区分４が１次元的に配列されている場合は、高速遥動鏡（ガルバノミラー）等を上記光学系に付加して、２次元画像を得るようにしてもよい。また、プリンターに用いる場合は、像面２８の位置に置かれる感光体を移動若しくは回転させることで、２次元画像とすることもできる。
【００４３】
以上のように構成したので、本発明によれば、簡易な光学系で、小型かつ安価な高解像画像表示装置あるいはプリンター等の光学装置を実現することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光学装置によると、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された光制御装置を含み、その光制御装置の回折面を物体面とするレンズと、そのレンズの焦平面に置かれた開口を含むので、光制御装置の各区分の回折角を画素情報等に応じて制御することにより、各区分を画素として１次元あるいは２次元の画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学装置に用いる光制御装置をモジュールの斜視図である。
【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】図１の光制御装置の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】図１の光制御装置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（ａ）と同様の断面図である。
【図５】本発明の光学装置を図１の光制御装置を含む画像表示装置等として実施した形態の光路図である。
【図６】図５の場合とは異なる波長について用いるときの図５と同様の図である。
【図７】図５、図６の場合とは異なる別の波長について用いるときの図５と同様の図である。
【図８】回折格子の垂直以外の角度で入射する場合の入射角と回折角の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１…支持基板
２…光制御部本体（光変調器）
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
２０…光制御装置
２１…白色光源
２２…コリメートレンズ
２３…照明系の光軸
２４…結像レンズ
２５…結像レンズの光軸
２６…回折光
２７…開口
２８…像面
２９…開口移動装置
６１、６２…短冊状素片
９１…回折面の法線
【図１】
2004163653.tif 000003
【図２】
2004163653.tif 000004
【図３】
2004163653.tif 000005
【図４】
2004163653.tif 000006
【図５】
2004163653.tif 000007
【図６】
2004163653.tif 000008
【図７】
2004163653.tif 000009
【図８】
2004163653.tif 000010