(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を全反射可能な全反射面を有する全反射部材と、
この全反射部材の全反射面に対して密着もしくは近接場光を抽出できる距離以下に近接した第１の位置と、前記近接場光を抽出できる距離以上に離れた第２の位置との間で位置の切り替えが可能な透光性の光抽出部とを備え、
前記全反射部材は、一方の面が光入射面であり、他方の面が前記光抽出部が第２の位置にあるときに全反射面、前記光抽出部が第１の位置にあるときに光出射面となる一対の平行面を有する透光性基板であり、
前記光抽出部の前記透光性基板とは反対側の位置に前記全反射部材に対向し、前記光抽出部から出射された光が入射される他の透光性基板を更に有し、
前記他の透光性基板の光入射面上において前記光抽出部からの出射光が直に入射する位置に、その出射光を吸収する光吸収層が設けられている
光スイッチング素子。
【請求項２】
前記透光性基板の全反射面側に酸化珪素膜を有する
請求項１に記載の光スイッチング素子。
【請求項３】
前記光抽出部を入射光の導出方向に応じて第１の位置または第２の位置に変位させるための駆動手段
を備えた請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項４】
前記透光性基板の光入射面側に、一対のＶ字溝を有し、一方のＶ字溝で入射光を前記全反射面に導き、他方のＶ字溝で前記全反射面での反射光を外部に導く
請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項５】
前記透光性基板の光入射面側に、入射光の導入部および前記全反射面での反射光の出射部となるマイクロプリズムが配設されている
請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項６】
前記透光性基板の光入射面側に、入射光の導入部および前記全反射面での反射光の出射部となるマイクロシリンドリカルレンズが配設されている
請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項７】
前記光抽出部は、架橋構造を有する板状の透光性基板である
請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項８】
前記光抽出部の全反射部材側とは反対側の面に、前記光抽出部が第１の位置にあるときに、前記全反射部材を透過した入射光の前記光抽出部での全反射を防止する全反射防止部を有する
請求項１記載の光スイッチング素子。
【請求項９】
前記全反射防止部は、全反射しない角度を有し、入射光を前記全反射部材側とは反対の方向へ導く透光性のテーパ加工部である
請求項８記載の光スイッチング素子。
【請求項１０】
前記駆動手段は、前記全反射部材の全反射面および前記光抽出部に互いに対向して配設された一対の透明電極と、前記一対の透明電極に電圧を印加する電圧印加手段とを有し、前記光抽出部の駆動が前記透明電極間の電位差によって生じた静電引力により行われる
請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項１１】
前記駆動手段は、前記全反射部材の全反射面、前記光抽出部、および前記他の透光性基板の前記光抽出部との対向面にそれぞれ互いに対向して配設された３つの透明電極と、前記３つの透明電極に電圧を印加する電圧印加手段とを有し、前記光抽出部の駆動が透明電極間の電位差によって生じた静電引力により行われる
請求項３記載の光スイッチング素子。
【請求項１２】
複数の光スイッチング素子を有するスイッチング装置であって、
前記光スイッチング素子が、入射光を全反射可能な全反射面を有する全反射部材と、この全反射部材の全反射面に対して密着もしくは近接場光を抽出できる距離以下に近接した第１の位置と、前記近接場光を抽出できる距離以上に離れた第２の位置との間で位置の切り替えが可能な透光性の光抽出部とを備え、
前記全反射部材は、一方の面が光入射面であり、他方の面が前記光抽出部が第２の位置にあるときに全反射面、前記光抽出部が第１の位置にあるときに光出射面となる一対の平行面を有する透光性基板であり、
前記光抽出部の前記透光性基板とは反対側の位置に前記全反射部材に対向し、前記光抽出部から出射された光が入射される他の透光性基板を更に有し、
前記他の透光性基板の光入射面上において前記光抽出部からの出射光が直に入射する位置に、その出射光を吸収する光吸収層が設けられている
スイッチング装置。
【請求項１３】
複数の光スイッチング素子に、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画像表示装置であって、
前記光スイッチング素子が、入射光を全反射可能な全反射面を有する全反射部材と、この全反射部材の全反射面に対して密着もしくは近接場光を抽出できる距離以下に近接した第１の位置と、前記近接場光を抽出できる距離以上に離れた第２の位置との間で位置の切り替えが可能な透光性の光抽出部とを備え、
前記全反射部材は、一方の面が光入射面であり、他方の面が前記光抽出部が第２の位置にあるときに全反射面、前記光抽出部が第１の位置にあるときに光出射面となる一対の平行面を有する透光性基板であり、
前記光抽出部の前記透光性基板とは反対側の位置に前記全反射部材に対向し、前記光抽出部から出射された光が入射される他の透光性基板を更に有し、
前記他の透光性基板の光入射面上において前記光抽出部からの出射光が直に入射する位置に、その出射光を吸収する光吸収層が設けられている
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、入射光を２方向に偏光可能な光スイッチング素子、この光スイッチング素子を用いた光スイッチング装置および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、回折格子を用いたもの等がある。液晶を用いたものの一例を図２７、マイクロミラーを用いたものの一例を図２８〜図３１、回折格子を用いたものの一例を図３２に示す。
【０００３】
液晶を用いた光スイッチング素子（図２７）は、２枚の偏光板１０１ａ，１０１ｂ、２枚のガラス基板１０２ａ，１０２ｂ、透明電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄおよび２枚のガラス基板１０２ａ，１０２ｂの間に封入された液晶１０４によって構成されている。この光スイッチング素子では、透明電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ間に電圧を印加して液晶分子の方向を制御し、偏光面を回転させることによりスイッチングを行う。
【０００４】
しかしながら、液晶は、応答速度が速いものでも数ミリ秒程度でしかなく、高速応答特性が悪いという問題がある。このため、高速応答を要求される光通信、光演算、ホログラムメモリ等の光記憶装置、光プリンタ等への適用は非常に難しい。また、液晶を用いた光スイッチング素子では、２枚の偏光板を必要とするため、光の利用効率が低下してしまうという問題もある。更に、液晶が強い光には耐えられないため、強いレーザ光のようなエネルギー密度の高い光のスイッチングは行うことができない。また、特に、ディスプレイに用いる場合、近年より一層の高品位な画質が求められており、現状の液晶を用いた光スイッチング素子では階調表示の正確さという点で不充分な部分が出始めてきている。
【０００５】
マイクロミラーを用いた光スイッチング素子では、米ＴＩ社のＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）に代表されるように、すでに多くの実例が存在している。構造としては、大きく分けてマイクロミラーを片持ちで支持したもの（図２８，図２９）と両持ちで支持したもの（図３０，図３１）との２種類に分類でき、マイクロミラーの駆動方法としては、静電引力を利用したものや圧電素子を利用したもの、熱アクチュエータを利用したもの等がある。構造、駆動方法等の違いはあるにしても、その機能としては、入射光をマイクロミラーの角度を制御することによりスイッチングするという、非常にシンプルなものである。
【０００６】
ここでは、静電引力を利用したタイプのマイクロミラーを例にして説明する。マイクロミラーの駆動原理は、片持ちで支持されている場合（図２８，図２９）には、マイクロミラー１０５と駆動電極１０６との間に電位差を与えることにより、静電引力を発生させてマイクロミラー１０５を傾ける。与えた電位差を取り除くと、マイクロミラー１０５を支持しているヒンジ部分１０５ａのばね力によって元の状態に戻る。
【０００７】
両持ちで支持されている場合（図３０，図３１）には、マイクロミラー１０８とそのマイクロミラー１０８に対向する２つの電極１０７ａ，１０７ｂとの間に同じ電位差を生じさせる。その状態から、例えば一方の電極１０７ａに加える電圧を小さく、もう一方の電極１０７ｂに加える電圧を大きくすることで、それぞれの電極１０７ａ，１０７ｂとマイクロミラー１０８との間に生じる静電引力に不釣り合いを生じさせてマイクロミラー１０８を傾ける。
【０００８】
光のスイッチングは、片持ちで支持されているマイクロミラーの場合（図２８，図２９）、入射光Ｐ100 に対して、マイクロミラー１０５が傾いていない状態ではＰ101 の方向に、マイクロミラー１０５が傾いた状態ではＰ102 の方向に反射光が進むことにより行われる。両持ちで支持されてるマイクロミラーの場合（図３０，図３１）も同様に、入射光Ｐ100 に対して、マイクロミラー１０８が一方に傾いている状態ではＰ103 の方向に、マイクロミラー１０８がもう一方に傾いた状態ではＰ104 の方向に反射光が進むことにより行われる。
【０００９】
しかしながら、これらの応答速度は、数マイクロ秒程度のものが多く、まだまだ高速性が十分とは言えない。また、マイクロミラーを用いた光スイッチング素子では、光を偏光できる角度（２つの反射光の角度差）が機械的なミラーの振れ角の２倍となるものの、ディスプレイに用いる場合、コントラストを大きくするために、この２つの反射光Ｐ103 ，Ｐ104 の角度差を大きくしなくてはならず、そのため、ますます応答速度が遅くなってしまうという問題がある。
【００１０】
回折格子を用いた光スイッチング素子（図３２（Ａ），（Ｂ））では、特表平１０−５１０３７４にも示されるように、光反射面を持つリボン状の可動ミラーを、可動ミラー１０９ａと下部電極１１０ａとの間に電位差を生じさせることにより発生する静電引力によって、入射光Ｐ100 の波長の１／４動かすことで、リボン状の静止ミラー１０９ｂと可動ミラー１０９ａとの間に１／２波長分の光路差を作り出すことにより回折光を生じさせ、反射光を０次回折光Ｐ105 の方向と１次回折光Ｐ106 の方向とに切り替える。このとき、光路差を１／２波長までの範囲で制御することにより、１次回折光Ｐ106 の強度をコントロールすることも可能である。回折格子を用いた光スイッチング素子では、非常に軽いリボン状のミラーを小さい距離動かすだけで光のスイッチングを行うことができるため、応答速度が早く（数十ナノ秒程度）、高速のスイッチングに適している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光の回折を生じさせるためには、最低でも２本のリボン状ミラーが必要であり、光の利用効率を高めるためには４本以上、現実的には６本のリボン状ミラーが必要となる。このため、一次元に配列して用いた場合、全体の大きさを小さくするのが困難となる。また、一次元回折光は、０次元回折光の光軸に対象な２方向にある角度をもって生じるため、１次回折光を利用するためにはこの２方向に進む光を集めて１本にするための複雑な光学系が必要となる。また、理想的には、静止ミラー１０９ｂの反射面と可動ミラー１０９ａの反射面とが、電極に電圧を加えない状態で同一平面上にあるはずであるが、実際には、精度良く同一平面上に揃わない。そのため、下部電極１１０ａ，１１０ｂにそれぞれ小さな電圧を印加して全てのミラー面が同一平面上に揃うような微調整が必要になる。
【００１２】
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、小型軽量であり、かつ高速応答が可能な光スイッチング素子およびこれを用いた光スイッチング装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の第２の目的は、上記光スイッチング素子を用いて高精度の階調表示を行うことが可能で、高品位の画質が得られ、かつ小型化を図ることができる画像表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による光スイッチング素子は、入射光を全反射可能な全反射面を有する全反射部材と、この全反射部材の全反射面に対して密着もしくは近接場光を抽出できる距離以下に近接した第１の位置と、近接場光を抽出できる距離以上に離れた第２の位置との間で位置の切り替えが可能な透光性の光抽出部とを備え、全反射部材は、一方の面が光入射面であり、他方の面が光抽出部が第２の位置にあるときに全反射面、光抽出部が第１の位置にあるときに光出射面となる一対の平行面を有する透光性基板である。光抽出部の透光性基板とは反対側の位置に全反射部材に対向し、光抽出部から出射された光が入射される他の透光性基板を更に有し、他の透光性基板の光入射面上において光抽出部からの出射光が直に入射する位置に、その出射光を吸収する光吸収層が設けられているものである。
【００１５】
本発明による光スイッチング装置は、本発明による光スイッチング素子を複数個、一次元または二次元に配列したものである。
【００１６】
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配列し、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。
【００１７】
本発明による光スイッチング素子、光スイッチング装置および画像表示装置では、光抽出部が第２の位置のときには、全反射部材と透光性の光抽出部とが離間しているため、全反射部材への入射光は全反射面において全反射し、その反射光が一方向に導かれる。光抽出部が第１の位置のときには、全反射部材と光抽出部とが密着もしくは近接しているため、全反射部材への入射光は全反射面において全反射することなく、光抽出部を介して全反射部材とは反対側の他の方向に導かれる。なお、「近接場光を抽出できる距離に近接」とは、光抽出部を全反射部材に完全に密着させなくても、実質的に入射光を抽出できる距離であればよいので、それを含む意味である。ちなみに、入射光の波長（λ）の１／４０程度の距離まで光抽出部が全反射部材に近接していれば、入射光の９０％以上を抽出することができる。
【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は本発明の一実施の形態に係る光スイッチング装置１の全体構成を表すものである。この光スイッチング装置１は、本発明の光スイッチング素子１０を複数（図１では３本）備えた一次元アレイ構造を有している。
【００２０】
光スイッチング装置１は、透光性の上部基板１１と、この上部基板１１に対向して配設された透光性の下部基板２１とを備えている。上部基板１１および下部基板２１はそれぞれ透光性基板であり、例えばガラス基板や透明プラスチック基板により形成される。
【００２１】
上部基板１１は上下の面が平行になっており、上面には光の入射部となるＶ字溝１１ａおよび出射部となるＶ字溝１１ｂが形成されている。これらＶ字溝１１ａ，１１ｂを含む上面に例えばＭｇＦ2 （フッ化マグネシウム）からなる反射防止(Anti Reflection) 膜１２が形成されている。上部基板１１の下面は入射光を全反射させるための全反射面１１Ａとなっている。Ｖ字溝１１ａ，１１ｂそれぞれの傾斜角は、その傾斜面に直交する方向から入射した光が全反射面１１Ａで全反射するための臨界角以上となる角度である。
【００２２】
上部基板１１の全反射面１１Ａ側には、図示を省略したが、例えばＩＴＯ（Indium-Tin Oxide: インジウムと錫の酸化物混合膜）からなる透明電極が形成されている。上部基板１１の全反射面１１Ａ側には、また、例えば窒化珪素膜（ＳｉＮx ）により形成された例えば４本の薄いリボン状の光抽出部１７ａが配設されている。なお、この光抽出部１７ａは、図１においては構造を分かりやすくするため、上部基板から切り離して図示している。
【００２３】
光抽出部１７ａは、その両端部がそれぞれ上部基板１１に支持された架橋構造を有すると共に、中間部が透明電極への電圧印加による電位差によって生じた静電引力によって、上部基板１１の全反射面１１Ａに対して密着もしくは近接場光を抽出できる距離以下に近接した第１の位置（図１では奥側の２つの光抽出部１７ａの状態）と、近接場光を抽出できる距離以上に離れた第２の位置（図１では一番手前の光抽出部１７ａの状態）との間で位置の切り替えが可能なようになっている。なお、上部基板１１の全反射面および光抽出部１７ａにそれぞれ形成された透明電極と電圧印加手段（図示せず）とにより、本発明の駆動手段が構成されている。
【００２４】
下部基板２１には、複数のスペーサ２４ａおよび複数の基板間スペーサ２５がそれぞれ配設されている。スペーサ２４ａおよび基板間スペーサ２５それぞれは、例えば窒化珪素膜により形成されている。スペーサ２４ａは、光抽出部１７ａが第２の位置に変位したときにストッパ兼支持部として機能するものであり、ここでは光抽出部１７ａの配列方向に沿って２列に設けられている。基板間スペーサ２５は、下部基板２１と上部基板１１との間の間隔を光抽出部１７ａが第１の位置と第２の位置との間で変位可能な距離に保持するためのものである。
【００２５】
なお、本実施の形態では、１つの光抽出部１７ａが１（ライン）の光スイッチング素子１を構成し、この光スイッチング素子１が複数個アレイ状に並設されることにより一次元の光スイッチング装置１が構成されている。
【００２６】
次に、この光スイッチング装置１の具体的な製造方法について説明する。なお、ここでは、光スイッチング素子１０を例えば４本備えた一次元アレイ構造の製造工程について説明する。
【００２７】
まず、図２（Ａ），（Ｂ）に示したように、透光性基板、例えばガラス基板からなる上部基板１１の上面に、例えばエッチングなどの物理的加工やグラインダなどの機械加工によって光の入射部となるＶ字溝１１ａ、出射部となるＶ字溝１１ｂをそれぞれ形成する。続いて、これらのＶ字溝１１ａ，１１ｂが形成された面に、例えば真空蒸着法により例えばＭｇＦ2 からなる反射防止膜１２を形成する。次いで、この上部基板１１のＶ字溝１１ａ，１１ｂが形成された面とは反対側の面（全反射面１１Ａ）側に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長 )により、例えば膜厚５０ｎｍの透明電極（例えばＩＴＯ膜）、および例えば膜厚３０ｎｍの（透明）絶縁膜（例えば酸化珪素（ＳｉＯ2 ）膜）をこの順で形成し、この積層膜１３をエッチングにより電極形状にパターニングする。なお、絶縁膜は透明電極（ＩＴＯ膜）の保護膜となるものである。
【００２８】
次に、図３に示したように電極パターン間に、不要な光を吸収するための光吸収層１４を例えば真空蒸着法により電極部の厚さよりも薄く形成する。続いて、図４に示したように、例えばフッ素樹脂からなる例えば膜厚２ｎｍの付着防止層１５を形成する。続いて、この付着防止層１５上に例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなる例えば膜厚４００ｎｍの犠牲層１６を形成し、エッチングによって光抽出部の形状にパターニングする。付着防止層１５は、後述の薄いリボン状の光抽出部１７ａが上部基板１１に付着することを防止するためのものである。一方、犠牲層１６は、光抽出部１７ａの中間部分が上部基板１１の全反射面１１Ａから１／２波長以上離間した架橋構造となるように作製するためのものである。
【００２９】
続いて、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように光抽出部１７ａの構造材として、例えばＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition , 低圧化学的気相成長法) 法により例えば膜厚１００ｎｍの窒化珪素膜１７を形成する。次に、図６に示したように、例えば膜厚５０ｎｍの透明可動電極としてのＩＴＯ膜１８を成膜し、このＩＴＯ膜１８上に、例えば膜厚２０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜１９を形成する。このアルミニウム膜１９は、後述の酸化珪素膜（ＳｉＯ2 ）２０のテーパ加工を行う際に、ＩＴＯ膜１８の保護層として機能するものである。
【００３０】
次に、光抽出部１７ａに入った光が、この光抽出部１７ａの裏面で全反射しないようにテーパ加工を施す。この加工を行うためには、まず、図７に示したように、例えばＬＰＣＶＤ法により例えば膜厚１０μｍの酸化珪素膜２０を成膜する。続いて、図８に示したように、酸化珪素膜２０上にレジスト膜２１を塗布形成し、このレジスト膜２１をグレースケールマスクを用いて露光し、テーパ状に加工する。続いて、図９および図１０に示したように、テーパ状のレジスト膜２１をマスクとして例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching) により酸化珪素膜２０を選択的に除去することにより、テーパ加工部２０ａを形成する。
【００３１】
次に、図１１に示したように、アモルファスシリコンからなる犠牲層１６をフッ化キセノン（ＸｅＦ2 ）を用いたドライエッチングにより除去する。これにより窒化珪素膜１７が薄いリボン状で架橋構造を有する光抽出部１７ａとなる。
【００３２】
次に、図１２に示したように、光入射側と反対側に配設される下部基板２１を用意する。この下部基板２１の片面には、例えばＭｇＦ2 からなる内面反射防止用の反射防止膜２２を形成し、この反射防止膜２２とは反対側の面に、下部透明電極となる例えばＩＴＯ膜と、例えば酸化珪素膜（ＳｉＯ2 ）からなる絶縁層と、例えばＭｇＦ2 からなる反射防止膜とを順次この順に形成する。更に、この積層膜２３上に、例えばＬＰＣＶＤ法により例えば膜厚１．１μｍの多結晶シリコン膜２４を形成する。
【００３３】
次に、図１３および図１４に示したように多結晶シリコン膜２４をパターニングして、先の工程で上部基板１１側に形成した光抽出部１７ａと、下部基板２１側の下部透明電極（ＩＴＯ膜）とが接触することを防止するためのスペーサ２４ａを形成する。続いて、積層膜２３を電極形状（上部基板１１側に形成した光抽出部１７ａに対応する形状）にパターニングする。
【００３４】
次に、図１５および図１６に示したように、例えば膜厚２．２μｍの多結晶シリコン膜を形成する。続いて、この多結晶シリコン膜をパターニングすることにより、光抽出部１７ａが形成された上部基板１１と、下部透明電極が形成された下部基板基板２１との間の基板間スペーサ２５を形成する。
【００３５】
最後に、図１７に示したように、例えば接合層としてＩｎ（インジウム）を用いて上部基板１１と下部基板２１とを基板間スペーサ２５を介して接合させることによって一連のプロセスが終了し、一次元に複数個配列された光スイッチング素子１０が完成する。
【００３６】
なお、上記製作プロセスの説明に用いた図の縦横比は、分かりやすくするため、実際のものとは異なるようにしている。実際には、例えば、リボン状の光抽出部１７ａの可動部の長さが１２０μｍ、幅が１２μｍで、隣接する光抽出部１７ａ間の距離は１μｍとなっている。
【００３７】
次に、本実施の形態による光スイッチング素子１０の動作を図１８（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。
【００３８】
まず、薄いリボン状の光抽出部１７ａ上に形成された透明可動電極（図示せず）を接地させ電位を０Ｖとし、上部基板１１上に形成された透明電極（図示せず）に例えば＋１２Ｖの電圧を印加する。この電位差により光抽出部１７ａと上部基板１１との間に静電引力が発生し、図１８（Ａ）に示したように光抽出部１７ａが上部基板１１に密着される（第１の位置）。この状態で、上部基板１１のＶ字溝１１ａの傾斜面に光Ｐ1 を垂直に入射させると、入射光Ｐ1 は上部基板１１を透過して光抽出部１７ａに入り、光抽出部１７ａの裏面に形成されたテーパ加工部２０ａから出射し、その後、下部基板２１を通過して透過光Ｐ2 となる。
【００３９】
次に、光抽出部１７ａを上部基板１１から引き離して図１８（Ｂ）の状態にする。すなわち、上部基板１１上に形成された透明電極（図示せず）を接地させて電池を０Ｖとし、同時に下部基板２１上に形成した透明電極（図示せず）に例えば＋１２Ｖの電圧を印加する。その電位差により、下部基板２１の透明電極と電位が０Ｖである光抽出部１７ａ上の電極との間に静電引力が発生し、光抽出部１７ａが下部基板２１側に引き付けられる。このとき光抽出部１７ａは下部基板２１上のストッパ２４ａに接触したところで止まる（第２の位置）。この状態では、入射光Ｐ1 が、上部基板１１の下面（全反射面１１Ａ）で全反射を起こし、入射側とは別に加工されたもう一方のＶ字溝１１ｂより全反射光Ｐ3 として出射される。
【００４０】
このようにして、本実施の形態では、入射光Ｐ1 を透過光Ｐ2 と全反射光Ｐ3 の２方向に切り替えて取り出すことができる。また、この光スイッチング素子１０では、可動部分が、光抽出部１７ａだけであり、かつ光抽出部１７ａの動かなくてはならない距離が、大きくても入射光の１波長程度であるため、スイッチング動作が非常に高速になる。また、可動部となる光抽出部１７ａの上下に電極を形成することができるため、機械的共振周波数に因らず高速応答が可能である。更に、１チャンネルの光スイッチング素子につき、光抽出部１７ａも１つ有ればよいので、小型化が可能である。この小型化のメリットは、特にディスプレイ用途で、光抽出部を一次元アレイ化した場合に有効である。
【００４１】
本実施の形態では、入射光Ｐ1 に対して、上部基板１１の全反射面１１Ａからの全反射光Ｐ3 、および光抽出部１７ａを透過した透過光Ｐ2 の双方を利用することもでき、透過光Ｐ2 または全反射光Ｐ3 のいずれか一方を利用することもできる。透過光Ｐ2 および全反射光Ｐ3 の両方を利用する場合には、非常にクロストークの少ない２方向の光偏光素子として使用することができる。全反射光Ｐ3 のみを利用する場合には光効率の高いスイッチング素子を構成することができ、透過光Ｐ2 のみを利用する場合には、コントラストの高い光スイッチング素子を構成できる。なお、いずれか一方の光を利用する場合の具体的な構成については後述する。
【００４２】
ところで、このような全反射部材を利用した光スイッチング素子１０では、全反射面１１Ａに全反射条件を満たす角度で入射光Ｐ1 を入射させる必要がある。つまり、上部基板１１の片側を全反射面として利用する場合には、両面が平行なガラス基板そのままでは、全反射条件を満たす入射角（臨界角）で光を入射させることができない。
【００４３】
これに対して、本実施の形態では、上部基板１１にエッチングや成型、機械加工等によってＶ字溝１１ａの加工を施し、臨界角以上の入射角で光を入射させることができるようにしている。同様に、全反射光Ｐ3 が上部基板１１の表面において再び全反射してしまわないように、全反射光Ｐ3 の上部基板１１からの出射部にも同様のＶ字溝１１ｂの加工を施している。これにより本実施の形態では、入射光Ｐ1 に対して全反射光Ｐ3 を効率良く取り出すことができる。
【００４４】
なお、このようなＶ字溝１１ａ，１１ｂの加工を施す代わりに、光の入射部および反射光の出射部の両方を覆うマイクロプリズム、または入射部および出射部それぞれを覆うマイクロプリズムを用いることでも同様な効果が期待できる。また、マイクロプリズムではなく、光の入射部および反射光の出射部の両方を覆い、かつ全反射面に中心のあるシリンドリカルレンズでも代用することが可能である。これらの具体的な例については変形例として後述する。
【００４５】
また、本実施の形態では、光抽出部１７ａを上部基板１１の全反射面１１Ａ  に密着もしくは近接場光を抽出できる距離以下に近接させて光を抽出した場合、光抽出部１７ａでの抽出光の処理が問題となる。すなわち、光抽出部１７ａの光抽出面と対向する面が平行のままで何の処理も施されていない場合には、この対向面から光が出射することがなく、全反射して光スイッチング素子として機能しなくなる。そこで、本実施の形態では、この光抽出部１７ａの光抽出面と対向する面にエッチング加工により、光の入射角が臨界角よりも小さくなるよう角度をつけた部分（テーパ加工部２０ａ）を設け、このテーパ加工部２０ａから光が出射できるようにしている。
【００４６】
これにより、この光スイッチング素子１０では、入射光Ｐ1 に対して、光抽出部１７ａの透過光Ｐ2 および上部基板１１での全反射光Ｐ3 の両方の光を利用することが可能となる。なお、全反射光Ｐ3 のみを利用する光スイッチング素子として使用する場合には、光抽出部１７ａの光抽出面と対向する面上に、光吸収層を設けることにより、１方向のみの光スイッチングが可能となる（図２４参照）。
【００４７】
逆に、光抽出部１７ａの透過光Ｐ2 のみを利用する光スイッチング素子として使用する場合には、全反射光Ｐ3 の上部基板１１からの出射部にＶ字溝の加工を施すことなく平面のまま、もしくは、全反射する角度に加工しておくことで、再び全反射を起こし反射光は上部基板１１から出射しないで、上部基板１１内をその基板と平行な方向に導き出すことができる（図２３参照）。但し、このような構成とする場合には、基板上に製作した構造物、成膜された層の影響により光が減衰したり、しみ出したりすることがあるため、十分注意が必要である。同様に、光抽出部１７ａの透過光Ｐ2 のみを利用する光スイッチング素子とする場合には、全反射光Ｐ3 の上部基板１１からの出射部にＶ字溝加工を施す代わりに光吸収層を設けることで、上部基板からの光の出射を吸収してしまうことも可能である（図２２参照）。
【００４８】
本実施の形態では、可動部分が薄いリボン状の光抽出部１７ａのみであるため、可動部分が小型軽量となり、その駆動には大きな力を必要とせず、静電引力で十分である。この際、静電引力を発生させる電極として、上部基板１１の全反射面１１Ａおよび光抽出部１７ａの双方に透明電極を設けることも、光が透過する部分だけ避けるように成膜された不透明の導電膜、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜等を用いることも可能である。また、上部基板１１の全反射面１１Ａに光抽出部１７ａが付着（スティッキング）してしまうのを防ぐため、スイッチングを行っていない間、全反射ミラー面と光抽出部が離れた状態にするためと、より高速に駆動できるようにするために、上部基板１１と光抽出部１７ａを挟んで対向する下部基板２１上にも、透明電極、もしくは光が透過する部分だけ避けるように成膜された不透明の電極を用いることもできる。
【００４９】
なお、入射光Ｐ1 に対して全反射光Ｐ3 だけを利用する光スイッチング素子において、光抽出部１７ａの光抽出面と対向する面上に光吸収層を設ける場合には、全反射面を持たない下部基板２１としては、ガラスである必要はなく、シリコン（Ｓｉ）基板を使用することも可能である。勿論、この場合、透明電極を用いる必要も、不透明な電極を光が透過する部分だけ避ける形状に成膜する必要もない。
【００５０】
以下、図１９〜図２５を参照して、上述した本実施の形態の変形例について説明する。なお、上記実施の形態と同一構成部分については、同一を符号を付してその説明は省略する。また、基本的な構成および作用効果は上記実施の形態と同様であるので、以下では異なる部分についてのみ説明する。
【００５１】
図１９〜図２１は、それぞれ上部基板１１における全反射光および光抽出部１７ａの透過光を共に利用可能な光スイッチング素子、図２２は、透過光のみ利用可能な光スイッチング素子、図２３は、基本的には透過光のみ利用するスイッチング素子ではあるが、全反射光も利用可能となり得る光スイッチング素子、図２４および図２５は、全反射光のみ利用可能なスイッチング素子をそれぞれ示している。
【００５２】
〔変形例１〕
図１９に示した光スイッチング素子では、図１８において上部基板１１の下面で全反射可能な角度で光Ｐ1 を入射させるために用いたＶ字溝１１ａ，１１ｂの代わりに、上部基板１１の下面に中心を持つシリンドリカルレンズ４１を用いたものである。この光スイッチング素子では、上部基板１１の下面で全反射可能な角度に光Ｐ1 を入射させることができる。但し、光抽出部１７ａ上に形成するテーパ加工部２０ａの角度および大きさは、図１８の場合とは異なる値に設定する必要がある。
【００５３】
〔変形例２〕
図２０に示した光スイッチング素子では、図１８のＶ字溝１１ａ，１１ｂの代わりに、断面が等脚台形のマイクロプリズム４２を用いている。光の入射角度が図１８の場合と同じで、台形断面の傾斜面が光の入射角度に垂直であるならば（すなわち、図１８のＶ字溝１１ａ，１１ｂの傾斜角度と台形断面の傾斜角度とが等しければ）、上部基板１１を除く光抽出部１７ａ等その他の部分の構造は、図１８と同じでよい。
【００５４】
図２１に示した光スイッチング素子では、図１８のＶ字溝１１ａ，１１ｂの代わりに、断面が二等辺三角形のマイクロプリズム４３を光の入射部と全反射光の出射部とにそれぞれ用いている。図２０の場合と同様に、光の入射角度が図１８の場合と同じで、二等辺三角形断面の底角が光の入射角度に垂直であるならば（すなわち、図１８のＶ字溝１１ａ，１１ｂの傾斜角度と二等辺三角形断面の底角とが等しければ）、上部基板１１を除く光抽出部１７ａ等その他の部分の構造は、図１８と全く同じで構わない。
【００５５】
図２２に示した光スイッチング素子では、図１８の上部基板１１の出射側のＶ字溝１１ｂの代わりに、光吸収層４４を設けている。この光吸収層４４により上部基板１１の底面からの全反射光Ｐ3 が吸収されるので、光抽出部１７ａからの透過光Ｐ2 のみ有効に利用可能である。
【００５６】
図２３に示した光スイッチング素子では、上部基板１１の出射側のＶ字溝１１ｂの上部基板１１の上面となす角度θを、入射側のＶ字溝１１ａとは異なり、全反射光Ｐ3 が基板内を基板上面にほぼ平行に進むような角度に設定している。例えば、入射光Ｐ1 の上部基板１１に対する入射角を４５度とした場合、θ＝１５７．５度にすればよい。これにより、上部基板１１の下面での全反射光Ｐ3 がＶ字溝１１ｂで再度全反射し、上部基板１１内を進行して基板外に導かれる。この光は、基板端面や基板外部で吸収してしまったり、スイッチングされた光として利用することも可能である。但し、上部基板１１の上に種々の構造物が製作された場合には、その部分に光が入射してしまうと、ノイズになったり減衰したりしてしまうので、注意が必要である。
【００５７】
図２４に示した光スイッチング素子は、図１８における光抽出部１７ａ上に形成されたテーパ加工部２０ａの代わりに、光吸収層４５を形成したものである。この光吸収層４５により上部基板１１から光抽出部１７ａに透過してきた光Ｐ2 が吸収され、全反射光Ｐ3 のみ有効な光スイッチング素子となる。勿論、このスイッチング素子では、光抽出部１７ａにテーパ加工部を設ける必要はない。
【００５８】
図２５に示した光スイッチング素子は、下部基板２１上の光抽出部１７ａを透過してきた光Ｐ2 が当たる部分に光吸収層４６を形成したものである。これにより全反射光Ｐ3 のみ有効な光スイッチング素子となる。
【００５９】
以上、変形例について説明したが、上記のＶ字溝と光吸収層との組み合わせだけでなく、マイクロプリズムやシリンドリカルレンズと光吸収層との組み合わせを適用することも可能である。
【００６０】
〔画像表示装置〕
図２６は、上記スイッチング素子１０ないしスイッチング装置１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、スイッチング素子１０からの全反射光Ｐ3 を画像表示に使用する例について説明する。勿論、光抽出部１７ａの透過光Ｐ2 を利用するようにしてもよい。
【００６１】
このプロジェクションディスプレイは、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色の光源３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、各光源に対応して設けられたスイッチング素子アレイ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、ミラー３３ａ，３３ｂ，３３ｃ、プロジェクションレンズ３４、１軸スキャナとしてのガルバノミラー３５およびスクリーン３６を備えている。ＲＧＢの光源３１ａ，３１ｂ，３１ｃとしては、ＲＧＢのレーザを用いる方法、白色光源からの光にダイクロイックミラーやカラーフィルタ等を用いてＲＧＢの光を作る方法等がある。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３２ａ，３２ｂ，３２ｃはそれぞれ、上記スイッチング素子１０を紙面に対して垂直な方向に複数、例えば１０００個を一次元に配列して構成されているものである。
【００６２】
このプロジェクションディスプレイでは、ＲＧＢ各色の光源３１ａ，３１ｂ，３１ｃから出た光は、それぞれ光スイッチング素子アレイ３２ａ，３２ｂ，３２ｃに入射される。各光スイッチング素子１０からの全反射光Ｐ3 は、ミラー３３ａ，３３ｂ，３３ｃによりプロジェクションレンズ３４に集光される。プロジェクションレンズ３４で集光された光は、ガルバノミラー３５によりスキャンされ、スクリーン３６上に２次元の画像として投影される。
【００６３】
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１０を一次元に配列し、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。ここで、上述のように光スイッチング素子１０のスイッチング動作が高速に行われるので、時分割によるディジタル制御によって、高精度の階調表示を行うことが可能になる。
【００６４】
なお、光スイッチング素子１０の応答速度が十分高速であるために、ＲＧＢ各色につき１つの光スイッチング素子一次元アレイを用い、この光スイッチング素子一次元アレイに対してＲＧＢの光を時分割で切り換えて照射して、カラー画像表示を行うこともできる。
【００６５】
以上実施の形態および変形例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、光スイッチング装置１として、光スイッチング素子１０を一次元に配列した構成のものとしたが、２次元に配列したものとしてもよい。また、上記実施の形態では、本発明の光スイッチング素子をディスプレイに用いた例について説明したが、ディスプレイ以外の光通信装置，光記憶装置，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。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光スイッチング素子または光スイッチング装置によれば、入射光を全反射可能な全反射面を有する全反射部材と、この全反射部材の全反射面に対して密着もしくは近接場光を抽出できる距離以下に近接した第１の位置と、近接場光を抽出できる距離以上に離れた第２の位置との間で位置の切り替えが可能な透光性の光抽出部とを備えるようにしたので、可動部分の光抽出部を小型軽量にできるため、高速応答が可能になる。
【００６７】
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一次元に配列し、この一次元アレイ構造の光スイッチング装置に、３原色の光を照射し一軸スキャナによって走査するようにしたので、２次元画像を表示できると共に、高精度な階調表示が可能になり高品位の画質が得られ、また、小型化も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光スイッチング装置の構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示した光スイッチング装置の製造工程を説明するための平面図および断面図である。
【図３】図２の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図４】図３の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図５】図４の工程に続く工程を説明するための平面図および断面図である。
【図６】図５の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図７】図６の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図８】図７の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図９】図８の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図１０】図９の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図１１】図１０の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図１２】図１１の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図１３】図１２の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図１４】図１３の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図１５】図１４の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図１６】図１５の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図１７】図１６の工程に続く工程を説明するための断面図である。
【図１８】図１に示した光スイッチング装置の動作を説明するための断面図である。
【図１９】図１に示した光スイッチング装置の変形例を説明するための断面図である。
【図２０】図１に示した光スイッチング装置の他の変形例を説明するための断面図である。
【図２１】図１に示した光スイッチング装置の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２２】図１に示した光スイッチング装置の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２３】図１に示した光スイッチング装置の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２４】図１に示した光スイッチング装置の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２５】図１に示した光スイッチング装置の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図２６】図１に示した光スイッチング装置を適用したディスプレイの構成図である。
【図２７】従来の液晶を用いた光スイッチング素子の構成図である。
【図２８】従来のマイクロミラー（片持ち式）を用いた光スイッチング素子の構成図である。
【図２９】図２８の光スイッチング素子の作用を説明するための図である。
【図３０】従来のマイクロミラー（両持ち式）を用いた光スイッチング素子の構成図である。
【図３１】図３０の光スイッチング素子の作用を説明するための図である。
【図３２】従来の回折格子を用いた光スイッチング素子の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１１…上部基板（全反射部材）、１１ａ，１１ｂ…Ｖ字溝、１１Ａ…全反射面、１７ａ…光抽出部、２１…下部基板、２４ａ…スペーサ、２５…基板間スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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