(57)【要約】【課題】光照射面におけるボイドやヒロック等の劣化の発生を抑制し得る光変調素子を提供し、小型で高輝度の画像表示装置の信頼性の向上を図る。【解決手段】少なくとも第１面と第２面とを有し、これら第１面及び第２面の相対的移動によって異なる回折格子を構成して光変調される光変調素子であって、少なくとも第１面及び第２面の光照射面をＡｌＣｕ合金材料より構成し、光変調素子を気密に封止して、少なくとも第１面及び第２面の周囲ガスを、水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方のガスを含むガスとして構成する。【選択図】      図１
2005010685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１面と第２面とを有し、上記第１面及び第２面の相対的移動によって異なる回折格子を構成して光変調される光変調素子であって、
少なくとも上記第１面及び第２面の光照射面がＡｌＣｕ合金材料より成り、
上記光変調素子は気密に封止され、少なくとも上記第１面及び第２面の周囲ガスが、水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方のガスを含むガスとされて成る
ことを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
上記光変調素子の上記第１面及び第２面が、基準面から所定の角度を有する斜面とされ、
少なくとも一状態において、上記第１面及び第２面がほぼ同一の平面に並置され、
上記第１面と第２面との間隔が、０．１μｍ以上０．４μｍ以下とされて成ることを特徴とする請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
光変調素子に変調された光がスクリーン上に結像されて投影される画像表示装置であって、
上記光変調素子は第１面と第２面とを有し、少なくとも上記第１面及び第２面の相対的移動によって異なる回折格子を構成して光変調され、
少なくとも上記第１面及び第２面の光照射面がＡｌＣｕ合金材料より成り、
上記光変調素子は気密に封止され、少なくとも上記第１面及び第２面の周囲ガスが、水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方のガスを含むガスとされて成る
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
上記光変調素子の上記第１面及び第２面が、基準面から所定の角度を有する斜面とされ、
少なくとも一状態において、上記第１及び第２面がほぼ同一の平面に並置され、
上記第１面と第２面との間隔が、０．１μｍ以上０．４μｍ以下とされて成ることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
【請求項５】
上記光変調素子を、集光レンズによって集光する光のビームウエスト位置からずらした位置に配置して、
上記光変調素子から回折される光のうち１本の回折光のビームウエスト位置の像を結像する
ことを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
【請求項６】
上記光変調素子を、集光レンズによって集光する光のビームウエスト位置からずらした位置に配置して、
上記光変調素子から回折される光のうち１本の回折光のビームウエスト位置の像を結像する
ことを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像投影装置やプリンタなどの各種光学装置において、光源から出射された光を変調する光変調素子及びこれを用いた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタやプリンタなどの各種画像表示装置において、画像の解像度を上げる方法として、１次元の画像表示用光変調素子からの光束を光走査手段で走査しながら画像形成手段に投影し、２次元画像を形成する方法が知られている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
この１次元の光変調素子として、米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社が開発したＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ）が知られている（例えば特許文献２及び３参照。）。
【０００４】
このＧＬＶは、光の回折を利用した位相反射型の回折格子より構成される。ＧＬＶの一例としては、図１８に示すように、例えば３本ずつの可動リボンより成る第１面３０ａと固定リボンより成る第２面３０ｂとが交互に配置されるリボン素子型構成が提案されている。
【０００５】
このような構成のＧＬＶに対し、基板（図示せず）側の共通電極３３と第１面３０ａとの間に適切な電圧を印加することによって、第１面３０ａが適切量基板側に移動して変形し、入射光に対する回折格子が構成される。
このＧＬＶにおける第１面及び第２面の形状は、その幅及び長さがそれぞれ例えば２５μｍ、２００μｍ程度と微小なサイズであるため、第１面即ち可動リボンの高速なスイッチング動作が可能であるという利点を有する。更にまた広い帯域幅の表示、すなわち可動リボンの動作距離に対応して回折光の反射率を変化させ、光量の変化の高い変調度が実現できることから、高い解像度で、低い動作電圧及び小型の画像表示装置を提供することが可能である。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５９８２５５３号
【特許文献２】
米国特許第３１６４８２４号
【特許文献３】
米国特許第５９４１５７９号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＧＬＶ等の一次元状の光変調素子は、液晶パネルやマイクロミラーを用いるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ：テキサス・インスツルメンツ社）等の二次元状の光変調素子を用いる場合と比較すると、同一輝度を得るために必要な照射光密度は、例えば１０８０×１９２０画素表示に対し、約１９２０倍も高い。具体的に、劇場用プロジェクタなど１００００［ｌｍ］（ルーメン）の高輝度対応とする場合は、ＧＬＶ等を用いた光変調素子へのレーザ照射パワーは５０〜１００Ｗ程度と非常に高出力であり、これをＧＬＶのリボン表面に約２５μｍ幅（光強度の１／ｅ２のスポット径）の線状ビームに集光すると、ＧＬＶリボンにボイド又はヒロックが発生して劣化し、その結果ダークレベルの悪化、また極端な場合、電気的に断線し、機能しなくなるという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みて、素子表面におけるボイドやヒロック等の劣化の発生を抑制し得る光変調素子を提供し、これにより小型で高輝度の画像表示装置において、信頼性の向上を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による光変調素子は、少なくとも第１面と第２面とを有し、上記第１面及び第２面の相対的移動によって異なる回折格子を構成して光変調される光変調素子であって、少なくとも第１面及び第２面の光照射面をＡｌＣｕ合金材料より構成し、光変調素子を気密に封止して、少なくとも第１面及び第２面の周囲ガスを、水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方のガスを含むガスとして構成する。
【００１０】
また本発明による光変調素子は、上述の構成において、光変調素子の第１面及び第２面が基準面から所定の角度を有する斜面とされ、少なくとも一状態においてこれら第１面及び第２面がほぼ同一の平面に並置されるいわゆるブレーズ型構成として、この第１面と第２面との間隔を、０．４μｍ以下として構成する。
【００１１】
また本発明による画像表示装置は、上述の各光変調素子を用いる構成とする。
【００１２】
上述したように本発明によれば、光変調素子の回折格子を構成する第１面及び第２面の光照射面をＡｌＣｕ合金材料より構成すると共に、気密に封止された光変調素子の特に第１面及び第２面の周囲ガスとして、水素ガス又はヘリウムガス、もしくはこれら両方を含むガスを用いることによって、第１面及び第２面のレーザ等の光照射による温度勾配を効率よく抑え、ボイド、ヒロック等の発生を抑制して、耐久性の向上を図ることができた。
【００１３】
また特に、この構成において、光変調素子をブレーズ型構成とし、その第１面及び第２面の間隔を０．４μｍ以下として構成することによって、回折効率を向上させることができ、これにより、同程度の輝度を必要とする場合は光変調素子に照射するレーザ等の光の出力を低減化することができて、同様に第１面及び第２面の表面劣化を抑制して、耐久性の向上を図ることができた。
【００１４】
例えば、光変調素子として前述のＧＬＶ等を用い、その回折格子を構成する第１面及び第２面、すなわち帯状のリボン素子の表面反射層材料をＡｌ合金とした場合、レーザの照射による劣化のメカニズムは、ＬＳＩ配線技術におけるエレクトロマイグレーションの発生のメカニズムに対応させて考察することができる。以下これを説明する。
【００１５】
図１９に第１面及び第２面を構成する各リボン素子３０の長手方向をｘ軸、幅方向をｙ軸方向とした場合の、ｘ方向（以下これをリボン長方向とする）の温度プロファイルＴを模式的に示す。リボン素子３０の基材３１がＳｉＮ、反射層３２がＡｌより成るとすると、破線ｖ１及びｖ２で示す最高温度位置（温度Ｔ１）から距離ｘ０離間した位置（温度Ｔ２）への歪みによる質量移動を表すストレスマイグレーションＶは、以下の数１により求められる（例えば“Ｊｏｕｒｎａｌ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、７４（２）、１５  Ｊｕｌｙ  １９９３”参照。）。
【００１６】
【数１】
2005010685.tif 000003
【００１７】
なお、上記Δσは以下の数２により求められる。
【００１８】
【数２】
2005010685.tif 000004
【００１９】
この式から明らかなように、劣化の抑制には、レーザ照射によるリボン素子の温度上昇を出来るだけ抑えること、更にレーザ照射により生じるリボン長方向（すなわち回折格子を構成する長尺状部材の長手方向）の温度勾配を出来るだけ小さくすることの二点が特に重要と考えられる。
【００２０】
上述したように、本発明においては、光変調素子の光照射表面である第１面及び第２面を温度勾配の生じにくいＡｌＣｕ合金材料より構成すると共に、その周囲ガスとして、通常周囲ガスとして用いられる窒素ガス等の不活性ガスと比較して熱伝導率の大きい水素ガス又はヘリウムガス、もしくはこれを両方を含むガスを用いることによって、この照明領域の温度上昇を従来に比し抑えることができ、ボイド、ヒロック等の発生による表面の劣化抑制することができる。
これにより、特性の劣化が低減化され、高輝度表示用の劇場用プロジェクタ等各種画像表示装置に適用することによって、光変調素子の劣化が低減化され、信頼性に優れ、より小型で解像度の高い画像表示装置を提供することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光変調素子及び画像表示装置の各実施の形態について図面を参照して説明するが、本発明は以下の例に限定されることなく、その他種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【００２２】
先ず、本発明の実施の形態として、回折格子を構成する第１面及び第２面の光照射面材料と、その周囲ガスを適切に選定した光変調素子の実施の形態について説明する。各例共に前述の図１８において説明したＧＬＶ型構成の光変調素子に本発明を適用した場合を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他種々の光変調素子に適用することができる。
【００２３】
〔１〕第１の実施の形態
本発明においては、回折格子型の光変調素子の第１面及び第２面の材料、すなわち光照射面の材料としてＡｌＣｕ合金材料を用いることによって、そのレーザ等の耐光照射特性を向上させ、ボイドの発生等の劣化を抑えることができた。
先ず、光変調素子の光照射面材料として、Ａｌに０．５ｗｔ％（重量％）のＣｕと、０．１ｗｔ％のＳｉを添加した２種類の合金材料を用いる場合のレーザ照射後の劣化状態を検討した。各例共に、周囲ガスとして窒素（Ｎ２）ガス８０％、水素（Ｈ２）ガス１０％、ヘリウム（Ｈｅ）ガス１０％として混合したガスを用いた。この結果をそれぞれ図１及び図２に示す。
【００２４】
各例ともに、波長５３２ｎｍの緑色レーザの出力を２００ｍＷとして、集光レンズの位置を調整してスポットサイズを変化させ、光変調素子の光照射面に１時間照射してその表面の変化を顕微鏡で観察した結果を示し、光照射面にボイドが発生した場合を×、変色が見られた場合を△、変化なしの場合を○とし、有限要素法により計算した温度に対応して示す。そして変化なしの場合（○）と変色が見られた場合（△）の境界をそれぞれ実線Ｅ及びＦとして示し、図２においては図１における実線Ｅと同じ位置に破線Ｅ’を示す。なお、実線ｅ１〜ｅ４、ｆ１〜ｆ４はＮＤフィルターの透過率をそれぞれ１００％、５０％、４０％及び３０％とした場合を示す。
尚、レーザ出力を２００ｍＷとし、１ＧＬＶ素子を１画素相当として、光変調素子として１０８０画素分の照射を行うと、光変調素子全体では１００Ｗ程度以上となり、例えば赤、緑及び青色光を合成すると、光学系の効率にもよるが、スクリーン上において１００００［ｌｍ］程度の高輝度表示が可能となる。
【００２５】
これら図１及び図２の結果から、スポット直径を大とすることにより第１面及び第２面を構成するリボン素子の温度は低くなり、表面の劣化が抑制されることがわかる。ここで、図１に示すＣｕ添加の場合は、Ｓｉ添加の場合と比べて、変化なし（○）となる領域の境界位置が温度上昇方向にずれており、温度上昇に対する耐性に優れていることがわかる。従って、本発明において、レーザ照射による光変調素子の劣化を更に抑制するために、光変調素子の光照射面の材料として、ＡｌにＣｕを添加した材料を用いることが望ましいことがわかる。
尚、上述の例では第１面及び第２面の基材材料としてＳｉＮを用いたが、その他ＳｉＯ２との積層膜など、基材としては、種々の材料構成を採り得る。
【００２６】
レーザ照射によるＡｌ反射層の劣化のメカニズムは、前述の図１９において説明したように、レーザ照射により生じた反射層表面（すなわち光照射面）の温度上昇とＡｌのリボン長方向の温度勾配に起因するストレスマイグレーションであると考察することができる。従って、これは本質的にはエレクトロマイグレーションと同じ現象といえる。
【００２７】
そして、上述したように、Ｃｕを添加したＡｌの方がＳｉを添加したＡｌよりも耐性に優れていることは、ＬＳＩの配線パターンとしてＡｌを用いた場合に見られるエレクトロマイグレーションについて、Ｃｕを添加したＡｌの方がＳｉを添加したＡｌよりも耐性が強いという報告（Ｃ．Ｋ．Ｈｕ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａｌ（Ｃｕ）  ｔｗｏ−ｌｅｖｅｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｃｕ  ａｎｄ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ｏｆ  ｄａｍａｇｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．７４，（１９９３），ｐ９６９参照）と一致している。
また上記報告には、Ａｌに対するＣｕの添加量が０．５ｗｔ％から２ｗｔ％と増大するにつれて、エレクトロマイグレーション耐性が向上することが示されている。
【００２８】
したがって、図１においてはＡｌにＣｕを０．５ｗｔ％添加した場合のみの結果であるが、Ｃｕ添加量としては、０．１ｗｔ％以上程度であれば効果が得られ、またＣｕ添加量を５ｗｔ％程度まで増大させることでレーザ耐性が向上することが予想できる。
よって本発明においては、光変調素子を構成する第１面及び第２面の少なくとも光照射面の材料としてＡｌＣｕ合金材料を用いものであるが、更に好ましくはＡｌにＣｕを０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下添加したＡｌＣｕ合金材料を用いるものとする。
【００２９】
次に、光変調素子の第１面及び第２面の周囲ガスとして水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方を含む混合ガスを用いることによる劣化の抑制の効果を検討した結果を説明する。
図３は、ＧＬＶ等の光変調素子の一例の断面構成を示す図であり、Ｓｉ等より成る基板２１の上に、上述のＡｌＣｕ合金等より成る第１面及び第２面、即ち帯状のリボン素子（図示せず）が例えば画素数分形成され、基板２１の周囲を所定のシール材料より成る封止部材２２によってガラス板等の光透過性カバー材２３に覆われて気密に封止され、例えば窒素ガス等の周囲ガスが封入されて構成される。
【００３０】
また各リボン素子と基板の間は、図４にその要部の断面構成を示すように、例えば高さｈをもって基板２１から離間している。通常のＧＬＶ素子においては、この高さｈは約１μｍ程度とされている。
【００３１】
このように、リボン素子３０は周辺部から離間しておりその断熱効果のため、レーザ等の光照射時に素子温度が上昇し易い構造となっている。図５に第１面及び第２面を構成するリボン素子の温度とリボン素子の周囲ガスの熱伝導率との関係を計算した結果を示す。当然ではあるが、リボン素子の温度は熱伝導率が大きい程低く抑えることができる。
【００３２】
本発明においては、この周囲ガスとして、熱伝導率の大きい水素ガス（熱伝導率０．１８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ヘリウムガス（熱伝導率０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））を用いるものであるが、上述したように間隔が０．１μｍ程度の空間では実効的な熱伝導率はそれぞれ、水素が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ヘリウムが０．０８Ｗ／（ｍ・Ｋ）と見積もることができる。
【００３３】
一方、これらのガスは実効粘性係数が小さく、このため、ＧＬＶ等のリボン状回折格子の応答特性に影響を及ぼす。即ち、ＧＬＶ等の光変調素子においては電圧印加等の動作状態から非動作状態に戻す際にリボン素子が振動するいわゆるリンギングが発生するものであるが、この振動を抑え、より短い時間で減衰させることが望ましい。周囲ガスとして水素ガスやヘリウムガスを用いることにより、リンギングの減衰時間はやや長くなり、応答特性は多少低下する。
【００３４】
従って、上述したように熱伝導率を上昇させるために、少なくとも減衰時間が一画素相当時間より長くならない範囲において水素ガス又はヘリウムガスを用いることが望ましい。
以上の考察から、周囲ガスとしては、実効粘性係数の大きい、例えばＡｒ、Ｎ２などを主体として、熱伝導率の大きい水素ガス又はヘリウムガスを１０％以上含有させたものを用いることが望ましい。
【００３５】
光照射面材料としてＡｌにＣｕを０．５ｗｔ％混入した合金を用い、水素（Ｈ２）ガス１０％、Ｈｅガス１０％、Ｎ２ガス８０％の混合ガスを周囲ガスとした場合と、Ｎ２ガス１００％を周囲ガスとして用いた場合において、それぞれ波長５３２ｎｍ、出力２００ｍＷのレーザを１時間照射後の劣化状態を検討した結果をそれぞれ図６及び図７に示す。
【００３６】
図６及び図７において実線ｊ１〜ｊ４、ｋ１〜ｋ４は、それぞれＮＤフィルターの透過率を１００％、５０％、４０％、３０％とした場合を示す。各例ともに、波長５３２ｎｍの緑色レーザ光の出力を調整してスポット直径を変化させ、光変調素子の光照射面、すなわちリボン素子表面に１時間照射し、その表面の変化を顕微鏡で観察した結果を調べ、光照射面にボイドが発生した場合を×、変色が見られた場合を△、変化なしの場合を○とし、有限要素法により計算した温度に対応して示す。そして変化なしの場合（○）と変色が見られた場合（△）の境界をそれぞれ実線Ｇ及びＨとして示す。
【００３７】
前述の図１及び図２の結果と同様に、スポット直径を大とすることによって、素子温度が抑制されることがわかる。そして、図６及び図７の結果を比較すると変化なしの状態（○）と変色が見られた状態（△）との境界線が、熱伝導率の高い周囲ガスを混入した場合のほうが高い温度側に存在することがわかる。つまり、より高い温度となる場合でも周囲ガスからの熱伝導により光照射面の温度勾配を低減化し、表面の変質、劣化を抑制することができ、耐光照射特性が向上していることがわかる。
【００３８】
したがって、本発明においては、気密封止される光変調素子において第１面及び第２面の周囲ガスとして、水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方を含むガスを用いることが望ましい。
なお、水素ガス又はヘリウムガスを混入する割合としては、１０％以上であれば熱伝導率上昇による温度勾配の抑制、耐光照射特性向上の効果が得られる。一方、水素ガスを３０％を超えて混入する場合、またヘリウムガスを５０％を超えて混入する場合は環境への負荷を考慮する必要が生じる恐れがある。
したがって、本発明においては、望ましくは水素ガスを１０％以上３０％以下、ヘリウムガスを１０％以上５０％以下混入させた周囲ガスを用いるものとする。
【００３９】
〔２〕第２の実施の形態
次に、光変調素子の第１面及び第２面の間隔を選定して回折効率を向上させることにより、レーザ等の照射光出力を低減化して、光照射による劣化を抑制する例について説明する。
【００４０】
光変調素子として適用して好適なＧＬＶ素子としては、例えば以下の２種類が挙げられる。
上述のＧＬＶ素子においては、各リボン即ち第１面及び第２面が非動作時に表面がほぼ一平面上に配置される通常のＧＬＶと、各リボン即ち第１面及び第２面が、基準面（例えば光変調素子の基板面と平行な面）から角度θをもって傾斜されて配置されるいわゆるブレーズ型ＧＬＶとが提案されている。これらの各タイプのＧＬＶ素子の一例の動作態様を図８及び図９に模式的に示す。図８及び図９において３０ａは第１面（例えば固定リボン）、３０ｂは第２面（例えば可動リボン）、Ｌｉは入射光、Ｌｒ（＋１）及びＬｒ（−１）はそれぞれ±１次回折光を示す。
【００４１】
通常型では、図８に動作時の一例を示すように、第２面３０ｂの移動量ｚ１を例えば入射光の波長λに対しλ／４とすると、入射方向と逆向きに反射される０次回折光（図示せず）と、±１次回折光Ｌｒ（＋１）及びＬｒ（−１）が回折光として反射されるが、例えば０次回折光のみを利用することにより、１本の回折光だけを空間フィルターを通してスクリーン上に結像し、画像表示用に利用することができる。
【００４２】
一方ブレーズ型では、図９に示すように、基準面Ｋから角度θをもって第１面３０ａ及び第２面３０ｂを傾斜して配置する。そして、一状態において、第２面３０ｂがそれぞれ隣接する第１面３０ａのうち一方の第１面３０ａとその表面が一平面を成すように移動させ、例えば入射光の波長をλとしたときに、それぞれ一平面上に並列した一対のリボンと他の一平面上に並列した一対のリボンとの光路差ｚ２をそれぞれλ／２となるように動作させると、＋１次回折光のみが出射される。従って、この＋１次回折光を用いて、１本の回折光だけを空間フィルターを通してスクリーン上に結像することができる。図８及び図９において、ｇは第１面３０ａと第２面３０ｂとの間の間隔を示す。
【００４３】
このように反射回折光のうち１本の回折光を利用する構成とすることにより、例えば６０％以上の高い回折効率で画像を表示することができる。プロジェクタ等の画像表示装置用では、特に、印加電圧に対するダークレベルから中間階調の応答特性が緩やかで、高階調の画像表示が容易なブレーズ型ＧＬＶがより望ましい。
【００４４】
図１０及び図１１は、前述の図８及び図９において説明した通常型及びブレーズ型のＧＬＶ構成の光変調素子における第１面及び第２面、すなわちリボン間の間隔、即ち前述の図８及び図９においてｇで示す間隔に対する回折効率の変化を示す。
通常型ＧＬＶにおいては、間隔ｇを０μｍとしても回折効率は７３％が上限であるが、ブレーズ型ＧＬＶでは、間隔ｇが小さいほど回折効率は上昇し、約０．４μｍ以下では通常のＧＬＶの上限値を上回ることがわかる。
【００４５】
ＧＬＶの回折効率が高くなると、同一輝度を実現する時のレーザ出力を低く抑えることができ、その結果、高輝度プロジェクタを構成する場合のＧＬＶ素子の信頼性が向上する。また、隣接する第１面及び第２面の間隔ｇが小さくなると、その部分を直接透過して、Ｓｉ等より成る基板に入射して吸収されるレーザパワーも低減化することができ、各面の温度上昇を抑制できることとなる。
【００４６】
したがって、上述したように光変調素子としてブレーズ型ＧＬＶを用いて、その第１面と第２面との間隔を０．４μｍ以下とすることによって、より高効率で耐光照射特性、信頼性の高い画像投影方法、画像表示装置を提供することができることがわかる。
この間隔ｇとしては、０．４μｍ以下なるべく小さくすることが望まれるが、上述したようにリボン素子間の周囲ガスによる熱発散の効果が低減すること、またフォトリソグラフィ等による製造上の限界に起因する信頼性の問題から、０．１μｍ未満とすることは難しい。また実用上、光変調素子の第１面と第２面との間隔を非常に微細化すると、第１面及び第２面の形状、厚さ等にもよるが、電圧印加時等の動作状態において、各面が横方向に移動して付着するいわゆるスティックが生じる恐れがある。したがって、本発明においては、この第１面と第２面との間隔を、０．１μｍ以上０．４μｍ以下とすることが望ましい。
【００４７】
〔３〕第３の実施の形態
次に、本発明構成の光変調素子を用いた画像表示装置の一例を図１２の概略構成図を参照して説明する。図１２において、１０Ｒ、１０Ｇ及び１０Ｂはそれぞれ赤、緑及び青色レーザ等の光源であり、ここから出射されたレーザビームは、それぞれ集光レンズ１２Ｒ、１２Ｇ及び１２Ｂを介して例えば前述のＧＬＶ等の回折格子型の光変調素子１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂに入射される。
ここで、各光変調素子１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂは、集光レンズ１２Ｒ、１２Ｇ及び１２Ｂにより集光されるビームウエスト位置からずれた位置に配置してもよい。
【００４８】
そして、各光変調素子１３Ｒ、１３Ｇ及び１３Ｂからの回折光は、例えばハーフミラー１４、１５を介して１本の光束に集束され、空間フィルター１６を介して投影レンズ１７により結像されて、スキャナー１８により矢印ｇで示すように、スクリーン１９の横方向に走査される。
【００４９】
ここで光変調素子としては、例えば上述したような、第１面及び第２面の相対的移動によって回折格子を構成する光変調素子、具体的には、例えば３本ずつの可動リボンと固定リボンが交互に配置されたＧＬＶ素子を１次元アレイ上に配置した構成とすることができる。すなわち、可動リボンと固定リボンとが交互に配置されて成り、可動リボンに対する電圧印加等によって各リボンの反射面、即ち第１面及び第２面を相対的に移動させて回折格子を構成することによって、光変調を行う光変調素子を用いる。
【００５０】
上述のＧＬＶ素子の代表的な構成例では、３本ずつの固定リボンと可動リボンとが交互に配置されるものであるが、光変調素子として、リボンの幅方向にＧＬＶ素子を画素数分、例えば１０８０個配置して構成することができる。
この１次元状の光変調素子に対し、円筒レンズを用いてその表面にリボン長方向には所定のスポットサイズに集光され、リボン幅方向には所定の幅にコリメートされたコリメート光を照射し、各ＧＬＶ素子へ画像信号に対応した電圧を印加することにより、光変調素子から回折される回折光は、１次元状の所定の画素サイズ（長さ及び幅）を有し、画像信号に対応して変調されたビームとなる。これに対し、空間フィルター１６を例えばフーリエ面に配置することによって、像はこの１次元の延長方向と直交する方向に延在する１次元状となり、スクリーン１９上においては、矢印ｇと直交する方向に延在する像として表示され、スキャナー１９の矢印ｇで示す方向の走査によって、２次元画像として表示される。
【００５１】
このような構成の画像表示装置において、光変調素子の第１面及び第２面の光照射面材料をＡｌＣｕ合金材料とし、また周囲ガスを水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方のガスを含むガスを用いることによって、光照射による劣化を抑制し、従来に比して耐久性、信頼性に優れた画像表示装置を得ることができる。
【００５２】
更に、光変調素子として上述のブレーズ型構成のＧＬＶを用いて、その回折格子の第１面及び第２面の間隔を０．４μｍ以下とすることによって、回折効率を向上させ、比較的低い出力での高輝度表示を可能とし、更に耐久性、信頼性の向上を図ることができる。
【００５３】
そして更にこのような画像表示装置において、集光レンズによって集光する光のビームウエスト位置からずらした位置に光変調素子を配置して光変調素子をいわばデフォーカス照明することによって、光変調素子をフォーカス位置に配置する従来方法と比較してスポット直径が大となり、表面温度上昇及び温度勾配の抑制を図り、光変調素子の劣化の低減化を図ることができる。
【００５４】
また、デフォーカス位置に光変調素子を配置しても、回折光のビームウエスト位置の像を結像することによって、スクリーン上においてはほぼ所望の画素サイズの像を投影することができる。
【００５５】
本実施の形態においては、図１３に画像投影方法の一例の配置構成を模式的に示すように、集光レンズ１２によって集光される破線ａで示すビームウエスト位置からデフォーカス量ｓだけずらした位置に、光変調素子１３を配置する。このデフォーカス量ｓは、ビームウエスト位置から集光レンズ１２に近接する位置でもよく、破線ｂで示すように、集光レンズ１２から離間するように配置してもよい。
図１３において、実線ｃは集光レンズ１２の光軸、ｆは焦点距離を示す。
【００５６】
そして光源から出射された単一の光Ｌを用いて光変調素子により変調して空間フィルターを介してスクリーン上に結像し投影する場合は、ビーム径Ｄの光を、光変調素子１３に集光する集光レンズ１２の開口数のほぼ全域にわたって照射する。
【００５７】
更に、これらビームウエスト位置からずれた位置に配置された光変調素子１３からの回折光は、図１４に示すように、光変調素子１３の表面からビームウエスト位置２０が離間するものであるが、本発明においては、この回折される光のうち１本の回折光の、ビームウエスト位置の像を結像光学系によって結像する。
【００５８】
一例として、このような単一の光を用いる場合のデフォーカス量ｓについて考察した例を示す。集光レンズ１２の開口数ＮＡは、
ＮＡ〜Ｄ／（２×ｆ）
である。ここでＤは上述したようにレンズの有効開口であり、この場合単一のビームＬのビーム直径と同一とする。ｆは焦点距離である。
【００５９】
この開口数ＮＡをフルに使い、ＧＬＶ等より成る光変調素子１３のリボン長方向に集光する。リボン長方向のスポット直径を２ω０とすると、
２ω０〜０．６３５×λ／ＮＡ
である。
スポット直径がビームウエスト径の√２倍となる焦点深度を±ｚ０とすると、
ｚ０＝π×ω０２／λ
である。
【００６０】
ここで、焦点深度はクロストークを低減化するためには、できるだけ小さくすることが望ましい。これについて説明すると、先ず、光変調素子１３から回折される光は、デフォーカスされるため、その表面からフォーカス位置に伝搬するまでの間にフラウンホーファー回折し、投影されたスクリーン上において、ある程度拡がりを持つこととなる。この拡がりによるクロストーク、即ち画素間の重なりをある程度以下に抑制する必要がある。
【００６１】
図１５に、デフォーカス量とクロストーク量との関係を示す。この例では、画素サイズが２５．５μｍのブレーズ型ＧＬＶを用いて光変調素子を構成した場合の画素間クロストークとデフォーカス量との関係をスカラー回折計算した結果を示す。この図からわかるように、デフォーカス量が大きくなると共にクロストークは単調に増加するが、具体的に、２００μｍのデフォーカスでのクロストークは約１１％程度と比較的低い。画質性能より求められるクロストークに対応してデフォーカス量を選定することが必要となる。
【００６２】
光源からの単一のビームを用いるものとし、また光変調素子としてＧＬＶ素子を１次元アレイ状に配置した構成とした場合において、デフォーカス量の選定条件に鑑みて、焦点深度が比較的短い例えば数１０μｍ以下となるようにレンズの開口数ＮＡを選定した例について説明する。
一例としてＮＡ＝０．１２５と選定すると、
２ω０〜２．７μｍ
ｚ０〜１０．８μｍ
となり、数１０μｍ以下に抑えられる。そして、図１３に示すように、光変調素子１３をビームウエスト位置ではなく、±ｓの例えば＋ｓ（集光レンズ１２に近接する側）にデフォーカスした位置に配置する。
【００６３】
光変調素子１３の画素サイズが約２５μｍとすると、デフォーカス量ｓは光変調素子１３の表面のスポット直径がこの画素サイズよりも大きくなるように、例えばリボン長方向のスポット直径が５０μｍとなるように選定する。リボン長が２００μｍとすると、５０μｍのスポット直径はリボン長２００μｍよりも十分小さいため、電圧印加によるリボン変形部分を越えて照射することを回避できることから、回折効率の低下は無視できる。スポット直径が５０μｍとなるデフォーカス量ｓは、入射光が伝播定数Ｍ２＝１のガウシアンビームと仮定すると、２００μｍとなる。
【００６４】
このように、リボン長方向にはスポット直径５０μｍとなるデフォーカス照明を行い、結像光学系では光変調素子１３の表面をスクリーン上に結像するとその像は横５０μｍ、縦２５．５μｍの約２：１の長方形サイズとなり使用できない。この場合は、リボン長方向にほぼ２５．５μｍのスポット径となる面をスクリーン上に投影するよう結像光学系を構成する。なお、リボン幅方向には、上述したように集光レンズ１２によりコリメートされた光を照射するので、スポット直径は変わらない。
【００６５】
上述したように、光変調素子１３の第１面及び第２面をＡｌＣｕ合金より構成し、周囲ガスとして水素ガス又はヘリウムガス、もしくは両方を含むガスを用いるとともに、このように、光変調素子１３を例えば２００μｍデフォーカス照明し、結像光学系では光変調素子１３の表面とは異なる、ほぼ画素サイズとなる面をスクリーンに投影、結像することによって、第１面及び第２面に照射する光の影響を更に抑制して温度勾配を抑え、劣化を低減化するとともに、クロストークの増大を抑えた高解像度の画像表示を行うことができる。
【００６６】
〔４〕第４の実施の形態
次に、前述の図１２において説明した画像表示装置において、第１面及び第２面の構成材料、周囲ガスを選定すると共に、光源から出射された複数の光を、光変調素子により変調して空間フィルターを介してスクリーン上に結像し投影する場合に上述のデフォーカス照明を適用する例について説明する。この場合、ビーム径ｄの光を、集光レンズ１２の開口数を空間的にほぼ均等に分割して照射する。
【００６７】
例えば、一般に出力５０〜１００Ｗ以上の高出力ＲＧＢ（赤、緑、青色の）レーザは、単一レーザとしては現状では入手が極めて困難であり、少なくとも２本以上、例えば出力１０Ｗのレーザを５〜１０本組み合わせて使用せざるを得ない。
その場合、図１６に模式的な構成を示すように、光源から出射された複数の光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４…を、それぞれビーム径ｄとして、集光レンズ１２の有効開口Ｄ内を、光変調素子１３のリボン長方向に空間的にほぼ均等に分割するように照射する。図１６において、図１３と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６８】
このように、複数のレーザビームを空間的にほぼ均等に分割することによって、集光レンズ１２の有効開口をフルに利用して、光変調素子に均等なデフォーカスを設定することができる。
【００６９】
次に、このように複数の入射光を用いる場合の実施例について説明する。
この場合、複数の各ビームのビームウエストを２ω０’とすると、
２ω０’〜１．２７×ｆ×λ／ｄ
となり、またその焦点深度を±ｚ０’とすると、
ｚ０’＝π×ω０’２／λ
となる。具体的に、ＮＡ＝０．１２５に対し、焦点距離ｆ＝４０ｍｍ、ｄ＝２ｍｍでは２ω０’〜１３．５μｍ、ｚ０’＝２６９μｍとなる。
【００７０】
このように、複数のビームを用いる場合は焦点深度は数１０μｍ以下とはならない。これは、比較的ビーム径の小さいビームは緩やかに絞られ、広がるためである。しかしながら、マルチビーム全体のビームスポット直径２ω（ｍ）は、レンズの開口数ＮＡに対し、
２ω（ｍ）〜２ＮＡ×ｓ
と変化する。従って、シングルビームの場合とほぼ同様に、マルチビームとしてｓ〜２００μｍのデフォーカス照明を行うと、光変調素子の表面でのスポット直径をリボン長方向に５０μｍとすることができる。なお、複数のレーザを用いる場合は、レーザ間は位相差が保たれないのでコヒーレント光でなくなり、単純に強度が足し算されたスポットになる。
【００７１】
以上説明したように、単一及び複数の入射光を用いる場合共に、集光レンズの開口数ＮＡを焦点深度ｚ０が数１０μｍ以下と成る条件で選定し、レンズへの入射条件を上記のように選定することにより、２００μｍ程度の小さなデフォーカス量で光変調素子表面のスポット直径を５０μｍ程度までリボン長方向に拡大することができる。
【００７２】
また前述したように、光変調素子の表面のスポット直径はリボン劣化を回避するために出来るだけ大きくすることが望ましいが、上限は、回折効率低下、或いは、リボンパターンの外側にある配線パターンなどからの迷光増大を避ける条件より規定され、例えば典型的なＧＬＶ素子を用いて光変調素子を構成する場合は、画素サイズ２５．５μｍ、リボン長２００μｍであることから、リボン劣化の抑制と回折効率低下の抑制などを満足させるため、スポット直径を５０μｍ程度とするデフォーカス量が両条件を満足する値となる。
【００７３】
次に、上述の第３及び第４の実施の形態において共通してスポット直径をリボン長方向に５０μｍ程度とした場合の効果について考察した結果を示す。
光変調素子のリボン長方向のスポット直径と、リボン温度との関係を有限要素法で計算した結果を図１７に示す。リボン温度はスポット径２５μｍでは約２９５℃であるが、５０μｍでは約２４０℃に低下する。即ち図１７においてΔＴで示すスポット直径５０μｍと２５μｍとの場合の温度差は約５５℃である。また、スポット中心から約２０μｍの距離での温度勾配も５０μｍスポット直径の方が約１／１．５程度小さくなる。
【００７４】
更に、前述の図１及び図６において説明した本発明構成の第１面及び第２面をＡｌＣｕ合金材料とする場合、また周囲ガスとして水素ガス、ヘリウムガスを含むガスを用いる場合の各測定結果において、スポット直径を２０μｍ程度から５０μｍ程度まで大とすることによって、それぞれ温度上昇が抑制されると共に、表面の劣化が抑制されていることは明らかであり、デフォーカス照明することによって、更に光変調素子の劣化を抑制し、信頼性を高めることができることがわかる。
【００７５】
従って、本発明において例えばＧＬＶ型光変調素子を用いる場合、その表面にはスポットサイズをリボン長方向に約５０μｍ（リボン幅方向に約２５．５μｍ）で照明し、スクリーン上においてはリボン長方向に２５．５μｍのスポット直径となるように結像させること、また更に望ましくは、デフォーカス量を図１５において説明した画素間クロストークが画像特性から求められる限度以下となるように選定することによって、１００００［ｌｍ］程度の高輝度表示を行う場合でも光変調素子の温度上昇を抑え、且つ温度勾配を低減化することができることがわかり、これにより光変調素子のリボンの劣化を抑え、即ちボイドやヒロックの発生を確実に抑制することができて、高解像度の画像表示を長期間安定表示することが可能となる。
【００７６】
以上説明したように、本発明においては、光変調素子の回折格子を構成する第１面及び第２面の材料をＡｌＣｕ合金材料より構成し、また第１面及び第２面の周囲ガスとして、水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはこれら両方を含むガスを用いることにより、光変調素子表面の温度上昇による急激な温度勾配の発生を抑制し、劣化を十分抑えて信頼性の向上、寿命の長期化を図ることができる。
【００７７】
更に、光変調素子としてブレーズ型ＧＬＶを用いる場合に、第１面及び第２面の間隔を０．４μｍ以下とすることにより、高い回折効率とすることができ、これによりレーザ等の光照射強度を抑制することを可能として、同様に耐光照射特性、信頼性の向上を図ることができる。
【００７８】
また本発明による光変調素子を適用した画像表示装置において、光変調素子を集光レンズにより集光するビームウエスト位置からずらした位置に配置してデフォーカス照明することによって、光変調素子に対し比較的高出力のレーザ照射を行って１００００［ｌｍ］程度の高輝度表示を行う場合においても、より高い輝度の表示に適用する場合においても、光変調素子の温度上昇による劣化を抑制し、信頼性の高い高輝度表示装置を適用することができる。
【００７９】
また、１００００［ｌｍ］程度の高輝度表示用のみではなく、小型の０．５インチサイズ程度のＧＬＶ型光変調素子、又はそれ以下の０．３インチ程度の小型光変調素子にレーザ等の光を照射する場合など、１００００［ｌｍ］より低い数１０００〜１０００［ｌｍ］程度の光束となる場合においても、光変調素子の光照射面の照射密度が高く温度上昇が高くなる場合に本発明を適用することによって、光変調素子の劣化を抑制し、長期間の信頼性を確保することができる。
また本発明を適用することによって、より小型のＧＬＶ等の光変調素子で同一輝度が得られる画像表示装置を実現することが可能であり、装置の低価格化、小型化も図ることができる。
【００８０】
以上本発明の各実施の形態について説明したが、本発明構成は上述の各例に限定されることなく、その画像表示装置の光学系の配置構成、また光変調素子の各光照射面以外の部分の材料構成、第１面及び第２面の支持態様の構成などにおいて、更に画像表示装置に適用する場合においては、その光学部品等の配置構成等において、本発明構成を逸脱することなく種々の変形、変更が可能であることは言うまでもない。
【００８１】
【発明の効果】
上述したように、本発明による光変調素子は、光変調素子を構成する第１面及び第２面の材料をＡｌＣｕ合金材料とし、また気密に封止された光変調素子の第１面及び第２面の周囲ガスとして、水素ガス又はヘリウムガスを含むガス、もしくはその両方を含むガスを用いることによって、光変調素子の温度上昇により発生する温度勾配に起因する劣化を抑制し、耐久性、信頼性の向上を図ることができる。
【００８２】
また、光変調素子を、回折格子を構成する第１面及び第２面が基準面から所定の角度をもって傾斜されるブレーズ型構成とし、第１面及び第２面の間隔を０．４μｍ以下とすることにより、回折効率を向上させ、これによりレーザ照射出力を比較的低く抑えても比較的高い輝度の表示が可能となり、光変調素子の劣化を抑制して信頼性の向上を図ることができる。
【００８３】
また上述の各構成による光変調素子を用いる本発明画像表示装置によれば、光変調素子表面の温度上昇を抑え、且つ温度勾配を低減化することができ、これにより光変調素子の劣化を抑制し、即ちボイドやヒロックの発生を確実に抑制して、画像表示を長期間安定表示することが可能な画像表示装置を提供することができる。
【００８４】
更にこの各構成の画像表示装置において、光変調素子を集光レンズのビームウエスト位置からずれた位置に配置することによって、光変調素子のリボン表面のスポット直径を従来に比し大としてリボン表面の温度上昇を抑え、且つ温度勾配を低減化することができて、比較的高輝度の画像表示を長期間安定表示可能な特性に優れた画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光変調素子の第１面及び第２面をＡｌＣｕ合金材料とする場合のスポット直径に対する温度特性を示す図である。
【図２】光変調素子の第１面及び第２面をＡｌＳｉとする場合のスポット直径に対する温度特性を示す図である。
【図３】光変調素子の一例の概略断面構成を示す図である。
【図４】光変調素子の一例の要部の略線的断面図である。
【図５】光変調素子の周囲ガスの熱伝導率に対する温度上昇を示す図である。
【図６】周囲ガスとして水素ガス及びヘリウムガスを含むガスを用いた場合のスポット直径に対する温度特性を示す図である。
【図７】周囲ガスとして窒素ガスを用いた場合のスポット直径に対する温度特性を示す図である。
【図８】光変調素子の一例の説明図である。
【図９】ブレーズ型光変調素子の一例の説明図である。
【図１０】通常型光変調素子の第１面及び第２面の間隔に対する回折効率の変化を示す図である。
【図１１】ブレーズ型光変調素子の第１面及び第２面の間隔に対する回折効率の変化を示す図である。
【図１２】画像表示装置の一例の概略構成図である。
【図１３】画像表示装置の一例の要部の説明図である。
【図１４】ビームウエスト位置の説明図である。
【図１５】デフォーカスとクロストークとの関係を示す図である。
【図１６】画像投影方法の一例の説明図である。
【図１７】スポット直径の温度特性を示す図である。
【図１８】光変調素子の一例の構成図である。
【図１９】ストレスマイグレーションの説明図である。
【符号の説明】
１０Ｒ  光源、１０Ｇ  光源、１０Ｂ  光源、１２Ｒ  集光レンズ、１２Ｇ  集光レンズ、１２Ｂ  集光レンズ、１３  光変調素子、１３Ｒ  光変調素子、１３Ｇ  光変調素子、１３Ｂ  光変調素子、１４  ハーフミラー、１５  ハーフミラー、１６  空間フィルター、１７  投影レンズ、１８  スキャナー、１９  スクリーン、２０  ビームウエスト位置、２１  基板、２２  封止部材、２３  光透過性カバー材、３０  リボン素子、３０ａ  第１面、３０ｂ  第２面、３１  基材、３２  反射層、３３  共通電極
【図１】
2005010685.tif 000005
【図２】
2005010685.tif 000006
【図３】
2005010685.tif 000007
【図４】
2005010685.tif 000008
【図５】
2005010685.tif 000009
【図６】
2005010685.tif 000010
【図７】
2005010685.tif 000011
【図８】
2005010685.tif 000012
【図９】
2005010685.tif 000013
【図１０】
2005010685.tif 000014
【図１１】
2005010685.tif 000015
【図１２】
2005010685.tif 000016
【図１３】
2005010685.tif 000017
【図１４】
2005010685.tif 000018
【図１５】
2005010685.tif 000019
【図１６】
2005010685.tif 000020
【図１７】
2005010685.tif 000021
【図１８】
2005010685.tif 000022
【図１９】
2005010685.tif 000023