(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半透過体と反射体との距離を変えることにより前記半透過体に入射した光をオンオフ可能な光干渉型の光スイッチング素子であって、
前記光スイッチング素子は、２次元に複数配置されるとともに、波長が４２０〜６２０ｎｍの範囲で各色の光が順番に供給され、前記反射体が前記半透過体に密着するオン位置と、前記反射体と前記半透過体との間の光路に沿った距離が１００ｎｍから１５０ｎｍの範囲だけ離れるオフ位置とに移動する光スイッチング素子。
【請求項２】
請求項１において、前記オフ位置では、前記反射体と前記半透過体との間の光路に沿った距離が１２５ｎｍから１３５ｎｍの範囲となる光スイッチング素子。
【請求項３】
請求項１において、前記半透過体の前記反射体と接する側、または前記反射体の前記半透過体と接する側に吸着防止層が形成されている光スイッチング素子。
【請求項４】
請求項１において、前記反射体を前記オン位置およびオフ位置に移動するアクチュエータを有する光スイッチング素子。
【請求項５】
請求項４において、前記アクチュエータは静電型である光スイッチング素子。
【請求項６】
請求項５において、前記アクチュエータは、第１および第２の電極を備えており、これら電極の最小間隔を設定するストッパーが形成されている光スイッチング素子。
【請求項７】
請求項１において、前記半透過体が形成された第１の基板と、前記反射体およびこの反射体を前記オン位置およびオフ位置に移動するアクチュエータとが重ねて形成された第２の基板とを有する光スイッチングデバイス。
【請求項８】
請求項７において、前記半透過体および反射体の距離が一定の値以外にならないようにするストッパーを備えている光スイッチングデバイス。
【請求項９】
請求項７に記載の光スイッチングデバイスと、カラーフィルタとを有する直視型の画像表示装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の光スイッチングデバイスと、この光スイッチングデバイスに各色の光を順番に供給する照明機構と、前記光スイッチングデバイスから出力された光をスクリーン上に投影するレンズとを有する画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直視型の画像表示装置あるいはプロジェクタ装置などに用いられる光スイッチング素子、光スイッチングデバイスおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタなどにおいて、所望の画像を形成する画像表示装置として、高速で光をオンオフ可能なＤＭＤなどの光スイッチングデバイスが知られている。さらに、ＤＭＤのように反射性のミラーの角度を変えて光をオンフオフするものではなく、反射性のミラーと半透過性のミラーを用い、それらの距離を変えて光を制御する干渉型のデバイスが検討されている。図８（ａ）および（ｂ）に示す干渉型表示素子は初澤ら（T.IEE Japan, Vol,119-E, No 12,'99,pp631-635）が提案しているものである。この干渉型のデバイス１００は、シリコン基板１０１に高反射性のミラー（底部ミラー）１０２を設け、この底部ミラー１０２の上に適当な間隔Ｄを空けてハーフミラー１０３を設けたものである。このハーフミラー１０３は、ギャップ間隔を開けるＳｉＯ2などの部材がシリコン基板１０１との間に配置されている。
【０００３】
この干渉型素子１００は、図８（ｂ）に示すように、ハーフミラー１０３は透明電極１０４を兼ねており、適当な電圧が印加されると基板１０１の側の底部ミラー１０２と上方のハーフミラー１０３との間に静電吸引力が働く。したがって、ハーフミラー１０３の位置が上下方向に制御され、ハーフミラー１０３と底部ミラー１０２との光路差が半波長（λ／２）ずれるに従って干渉が起こり、明暗のコントラスト変化が起こる。例えば、波長λの単色光を用いた場合は、ハーフミラー１０３が上下し、底部ミラー１０２との距離Ｄがλ／４変化すると明暗の変化が起こる。したがって、白色光を用いて、上下に動くハーフミラー１０３の位置を高精度に制御すれば、干渉色によりカラー表示も可能となる。このため、この干渉型素子１００を多数集積すると、反射型のディスプレーを構成できる。そして、従来の白色光を３原色の各色光に時分割するカラーフィルタなどを用いるカラー表示方法に比べて、画素の集積度が約３倍に向上することが期待されている。また、液晶の代わりに、機械要素であるミラーにすることで、高速な応答が可能であり、さらに、静電駆動を用いることで、消費電力を低減できることも期待されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、光干渉型素子を用いたデバイスは、従来の液晶デバイスより小型化が容易であり、さらに高速応答が可能で消費電力も少ないといった多くのメリットを備えている。しかしながら、上記の干渉型のデバイス１００は実用化に向けて多くの問題を抱えている。その１つは、スイッチングする色毎にミラーの移動距離を変える必要があり、さらに、その距離をミクロン単位で制御する必要があることである。たとえば、上記のデバイスでは、ハーフミラー１０３が上下してスイッチングするが、底部ミラー１０２との距離Ｄがλ／４変化すると明暗の変化が起こる。したがって、底部ミラー１０２の距離をスイッチングする光の波長の１／４の距離で精度良く制御する必要がある。そして、スイッチングする光の波長が異なれば、距離Ｄを変える必要があり、３原色をスイッチングするためには少なくとも３種類の移動距離の異なる光スイッチング素子を１つのデバイスに作り込むか、あるいは、１つの光スイッチング素子の移動距離を３つの異なる距離に制御する必要がある。このため、非常に高い寸法精度が要求されることになり、実際に歩留まり良く製造することは困難である。
【０００５】
上記のデバイスのように、オフ位置と、オン位置とをそれぞれ波長によって変化させる代わりに、オフ位置は固定してオン位置だけをスイッチングする波長で変えることにより、ミラーが動く距離の制御を簡易にすることが考えられる。しかしながら、オン位置の精度は、各々の波長の１／４の距離での精度、すなわち、数１０ｎｍあるいはｎｍ程度さらにはそれ以下の精度が要求され、スイッチングする波長の異なる光スイッチング素子を同一のデバイスに作り込んだり、１つの光スイッチング素子でスイッチングする距離をｎｍレベルで制御することが要求される。したがって、光干渉型の光スイッチング素子は、サブミクロンオーダでの寸法精度に加えて、マルチカラーを表現するデバイスを実現するためには、寸法の異なる光スイッチング素子を１つのデバイスに作り込む必要があるので、構造が複雑になり製造上の問題が多い。このため、歩留りの向上、およびスイッチングの信頼性を向上させることが難しい。
【０００６】
そこで、本発明においては、光干渉型のデバイスでありながら、量産性が高く、さらに、低コストで提供できる光スイッチング素子およびデバイスを提供することを目的としている。さらに、光スイッチング素子の制御回路も組み込むことができる光スイッチングデバイスおよびその製造方法を提供することを目的としている。また、本発明の光干渉型のデバイスを用いて低コストで高解像度のカラー表示が可能な画像表示装置を提供することも本発明の目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、各色の光の波長毎に距離を変えるのではなく、１つの距離で各色の波長をオンオフする光干渉型の光スイッチング素子およびデバイスを提供するようにしている。すなわち、オフ位置のみならず、オン位置も各色の光の波長に共通な光スイッチング素子およびデバイスを提供する。このため、本発明の、半透過体と反射体との距離を変えることにより半透過体に入射した光をオンオフ可能な光スイッチング素子においては、反射体が半透過体に密着するオン位置と、反射体が半透過体から所定の距離だけ離れるオフ位置とに移動する。
【０００８】
本発明の光スイッチング素子は、反射体と半透過体とを備えた干渉型であるが、モノクロでオンオフを制御する光スイッチング素子であり、反射体がハーフミラー、すなわち半透過体に密着して全反射するオン位置と、反射体が半透過体から所定の距離だけ離れて干渉によって出射される光をオフするオフ位置とを有する。したがって、オフする位置を、各波長の光を干渉によりほぼオフにできる位置に選択することにより、可視光領域の波長の光を１つの反射体の移動距離でスイッチングすることができる光スイッチング素子を提供できる。このため、この光スイッチング素子を２次元に並べた光スイッチングデバイスを画像の形成のために採用し、その光スイッチングデバイスに入射される色を分割することにより、マルチカラーの画像を出力可能な画像表示装置を提供できる。特に、本発明の光スイッチングデバイスと、カラーフィルタとを有する直視型の画像表示装置、あるいは本発明の光スイッチングデバイスと、この光スイッチングデバイスに各色の光を順番に供給する照明機構と、光スイッチングデバイスから出力された光をスクリーン上に投影するレンズとを有する画像表示装置は、単板式でマルチカラーの画像を表示することが可能である。そして、本発明の光スイッチングデバイスは、波長の異なる光を干渉により制御するために、寸法の異なる光スイッチング素子を１つのデバイスに作り込む必要はないので、構造が簡易となり、製造が容易となる。このため、本発明により歩留りを向上でき、信頼性の高い光スイッチングデバイスを低コストで提供できる。
【０００９】
可視光領域の光をオフする位置は、反射体と半透過体との間の光路に沿った距離が１００ｎｍから１５０ｎｍの範囲とすることが望ましい。光路が反射体に垂直であれば反射体と半透過体との距離を上記の範囲にすれば良いが、光路が傾いている場合は、その光路に沿った距離を上記の範囲にすることが望ましい。この範囲であれば、各色の波長を含む入射光、すなわち、４２０ｎｍから６２０ｎｍの波長の光の強度をほぼ３０％以下にすることが可能であり、１０対３のコントラストを確保することができる。したがって、さらに高コントラストが要求される場合は、複数の光スイッチングデバイスを設け、第１の光スイッチングデバイスから出射された光が第２の光スイッチングデバイスの入射光となるように配置することにより、高コントラストの画像を出力する画像表示装置を提供できる。また、デバイスのレベルで、複数の光スイッチング素子が、第１の光スイッチング素子の出射光が第２の光スイッチング素子の入力となるように直列に配置しても良い。
【００１０】
さらに、可視光領域の光をオフする位置は、反射体と半透過体との間の光路に沿った距離が１２５ｎｍから１３５ｎｍの範囲とすることが望ましい。この範囲であれば、４２０ｎｍから６２０ｎｍの波長の光の強度をほぼ１０％以下にすることが可能であり、１０対１のコントラストを確保することができる。また、さらに高コントラストが要求される場合には、直列に配置するデバイスあるいは素子の数を低減することが可能となる。
【００１１】
本発明の光スイッチング素子およびデバイスにおいては、オン位置で全ての波長の光を、高い強度で出射できるように反射体を半透過体に密着させる。したがって、反射体をオフ位置に駆動し易くするためには、反射体の半透過体に接する側、または半透過体の反射体に接する側に吸着防止層を形成することが望ましい。吸着防止層としては、ＩＴＯ（Indium tin oxide）などの透明導電膜をコーティングすることができる。
【００１２】
本発明の光スイッチング素子は、第１の基板に半透過体を形成し、第２の基板に反射体と、反射体をオン位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエータとを重ねて形成し、これら第１および第２の基板、半透過体と反射体とが対面し、オン位置では、反射体が半透過体に密着し、オフ位置では、反射体が半透過体から所定の距離だけ離れるように、第１および第２の基板を組み立てることが望ましい。また、光スイッチングデバイスであれば、第１の基板に複数の半透過体を形成し、第２の基板に複数の反射体と、各々の反射体をオン位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエータとを重ねて形成した後に、上記と同様のオン位置およびオフ位置となるように、第１および第２の基板を組み立てることが望ましい。
【００１３】
干渉型の光スイッチングデバイスの半透過体と、反射体とを１つの基板上に配置するのではなく、異なる基板に配置して、それらの基板を合わせることにより干渉型のデバイスを構成し、さらに、反射体を、半透過体と反射体との距離（位置）を制御するアクチュエータに重ねて形成することにより、半透過体および反射体の機能をアクチュエータの機能と分離し、それぞれを最適化できる。また、透過体および反射体を別基板で製造するので、それぞれの構造体を製造する歩留まりが、分散あるいは独立となり、これらを１つの基板に作成していたときのように歩留まりが重なって、光スイッチング素子あるいは光スイッチングデバイスの歩留まりが低下するのを防止できる。このため、低コストで性能の良い、干渉型の光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを提供することができる。
【００１４】
このような構成および製造方法の光スイッチングデバイスであれば、反射体は、アクチュエータを兼ねる必要がないため、アクチュエータにはピエゾなどを用いることも可能である。これに対して、電極を積層する静電型のアクチュエータであれば、フォトリソグラフィー技術を用いて、サブミクロンオーダのサイズで製造することができる。さらに、消費電力が低くなる等のメリットもあるので適している。
【００１５】
また、静電型のアクチュエータにおいては、オフ位置で第１および第２の電極の距離が最小となる。したがって、これらの電極の最小間隔を設定するストッパーを形成することにより、上述した特定の光路差、すなわち、１００ｎｍ〜１５０ｎｍ、あるいは１２５ｎｍ〜１３５ｎｍの距離にオフ位置を確実に制御でき、これを超えるようなオーバランを防止できる。また、ストッパーで停止する機構とすることにより、反射体が途中で止まらずにオフ位置まで確実に駆動できるような力を静電型アクチュエータで発揮する構成にでき、オフ位置の制御が簡易となる。
【００１６】
さらに、第２の基板に対してアクチュエータにより駆動される光学素子が反射型であるので、第２の基板は透明である必要はない。したがって、第２の基板としてシリコン基板などの半導体回路を形成するが容易で実績のある基板を用いることができる。このため、半導体基板を用いて、この半導体基板にアクチュエータを積層し、各々の光スイッチング素子を駆動する制御回路を第２の基板に組み込むことが容易であり、駆動回路付きの光干渉型の光スイッチングデバイスを低コストで提供することができる。
【００１７】
このように、本発明の光スイッチングデバイスであれば、構造が単純になるので、歩留まりが向上し量産性が増す。また、本発明の光スイッチングデバイスは反射型なので、上述したように、反射型の液晶パネルと同様の直視型の画像表示装置を提供できる。そして、液晶パネルより高速で、高解像度であり、さらに、消費電力も少ない画像表示装置を提供でき、携帯電話などの表示パネルとして採用することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明の光スイッチングデバイス４を備えたプロジェクタ装置１の概略構成を示してある。このプロジェクタ装置１は、光スイッチングデバイス４に、各色の光を順番に供給する照明機構２を備えている。本例の照明機構２は、キセノンランプなどの白色光７１Ｗを出力する光源部２ａと、この光源部２ａからの白色の光束７１Ｗを時分割する回転式のカラーフィルタ２ｂと、ここから照射される各色の光束７１Ｒ、７１Ｇまたは７１Ｂを、直角に反射可能なビームスプリッタ３とを備えている。
【００１９】
カラーフィルタ２ｂおよびビームスプリッタ３の光路上には、光束を平行化して導くコンデンサーレンズ２ｃと、たとえばＳ偏光の光束のみを通す偏光板７が配置されている。そして、偏光された各色の光束７１Ｒ、７１Ｇまたは７１Ｂは、ビームスプリッタ３で垂直に光スイッチングデバイス４に反射される。光スイッチングデバイス４は光スイッチング素子が２次元に配置されており、各々がオンオフして画像を形成する。ビームスプリッタ３とデバイス４との間には、１／４波長板（白色用）８が設置されており、光スイッチングデバイス４でオンオフされた画像を形成する各色の光７２Ｒ、７２Ｇまたは７２ＢはＰ偏光になり、ビームスプリッタ３を通過する。そして、レンズシステム６に達し、スクリーン７に投写されてカラー画像が表れる。なお、本例では、本図および以下の図において、赤色の光７１Ｒがオンオフされる様子を図示するが、他の緑色の光７１Ｇおよび青色の光７１Ｂも同様である。また、Ｓ偏光およびＰ偏光は逆にしても、もちろん良い。
【００２０】
本例の光スイッチングデバイス４は、、すなわちハーフミラーと反射体とを備えた光スイッチング素子が２次元に配列された干渉型のスイッチングデバイス４であり、各々の光スイッチング素子を駆動する回路を内蔵している。したがって、制御機構５から供給された画像データφに従って駆動回路が個々の画素を表示する光スイッチング素子をスイッチングし、画像表示デバイスであるスイッチングデバイス４により変調された表示光７２が出力される。
【００２１】
図２に、本例の光スイッチングデバイス４の概略構成を模式的に示してある。
本例の光スイッチングデバイス４は、第２の基板となる半導体基板３１と、この半導体基板３１に重ねられた第１の基板となるほぼ透明なガラス基板２１とを有し、このガラス基板２１の下方の面（表面）２１ａに、ハーフミラー２２あるいはハーフミラー膜２２ａが形成されている。さらに、その表面にＩＴＯなどの透明導電膜がコーティングされて吸着防止膜２５が形成されている。
【００２２】
一方、半導体基板３１は、その上方の面（表面）３１ａに、静電型のアクチュエータ３３と反射体４２とが基板３１の側（下側）からこの順番で積層されている。アクチュエータ３３は２次元に配列されており、また、アルミニウム製の反射体４２も、各々の反射体４２がアクチュエータ３３により上下方向に駆動されるように２次元に配列されている。したがって、個々の反射体４２は、個々のアクチュエータ３３に連結されており上下に動く。
【００２３】
アクチュエータ３３は、静電駆動型であり、反射体４２が機械的に連結された上電極３４と、この上電極３４と対峙するように基板の表面３１ａに形成された下電極３５を備えている。上電極３４は、弾性部材としての機能を備えており、電極３４および３５の間で静電力（静電吸引力）が働かないときは、弾性力によって反射体４２を上方に加圧する。また、半導体基板３１には、これらのアクチュエータ３３を駆動する駆動回路（制御回路）３８、さらには必要に応じてメモリなどが作り込まれている。
【００２４】
上側の面３１ａに反射体４２が形成された半導体基板３１と、下側の面２１ａにハーフミラー２２が形成されたガラス基板２１とは、反射体４２の反射面４１とハーフミラー２２の下面（ハーフミラーの表面）２２ａとが向かい合うように組み合わされており、それらの距離は基板３１の周囲、またはアクチュエータ３３の間に形成され壁３９によって一定に保持されている。さらに、下電極３５の周囲には、上方に突き出た形状の突起５０が形成され、上電極３４には突起５０に対峙する位置にディンプル５１が形成されており、これらにより、上電極３４と下電極３５との最小距離を正確に確保するストッパー５２が構成されている。このため、上電極３４と下電極３５が最も近づいたときに、ハーフミラー２２と反射体４２とは最も離れて距離ｄ１となるが、その距離ｄ１が精度良く実現でき、オーバランも防止することができる。一方、半導体基板３１とガラス基板２１との距離は、上電極３４と下電極３５と離れたときに、上電極３４のばね弾性で反射面４１がハーフミラー２２に密着するような距離に設定されている。このため、その位置では、ガラス基板２１に入射した光をアルミニウム製の反射面４１により高い反射率で光をほぼ垂直に反射することができる。
【００２５】
このように本例の光スイッチングデバイス４は、半導体基板３１の上にアクチュエータ３３と、反射体４２と、ハーフミラー２２を備えた透明基板２１とが積層された構成となっており、半導体基板３１に作り込まれた駆動回路３８と、アクチュエータ３３と、反射体４２と、これに対面するハーフミラー２２によって１つの光スイッチング素子１０が形成されている。さらに、光スイッチングデバイス４の全体に複数の光スイッチング素子１０が２次元方向にアレイ状に配置あるいは集積された形態となっており、各々の光スイッチング素子が画像を形成する単位である画素に対応させて制御することにより２次元画像を表現できる。
【００２６】
図２の左側に示した光スイッチング素子１０ａはオフ状態であり、図２の右側に示した光スイッチング素子１０ｂはオン状態である。本例の光スイッチング素子１０では、駆動回路３８により、アクチュエータ３３を構成する電極３４および３５の間に適当な駆動電圧が印加されると、アクチュエータ３３の下電極３５と上電極３４との間で静電力が働き、反射体４２が下方向に駆動される。このため、反射体４２の反射面４１と、対面するガラス基板２１の上のハーフミラー２２とが離れて距離ｄ１となる。この距離ｄ１は、ハーフミラー２２により反射された可視光と、反射体４２により反射された可視光とが干渉して弱め合う距離になっており、この状態、すなわち、光スイッチング素子１０ａの状態がオフ状態である。
【００２７】
一方、駆動回路３８により駆動電圧が印加されなくなると、上電極３４の弾性によって反射体４２は上方向に駆動される。このため、反射体４２とハーフミラー２２は密着し、反射面４１により反射された光とハーフミラー２２で反射された光の間には、干渉がないので入射光は略そのまま出射される。したがって、光スイッチング素子１０ｂの状態がオン状態である。
【００２８】
このように、本例の光スイッチングデバイス４では、アクチュエータ３３に供給される駆動電圧を制御することにより、各々の光スイッチング素子１０をオンオフすることが可能である。
【００２９】
図３ないし図５に、オフ位置おける反射体４２とハーフミラー２２との距離（光路差）ｄ１を変えたときの可視領域における各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の強度を示している。
【００３０】
図３（ａ）は、オフ位置の距離ｄ１を１２５ｎｍとしたときに、本例の光スイッチングデバイス４から出射される光の強度であり、図３（ｂ）は、距離ｄ１を１３０ｎｍ、図３（ｃ）は、距離ｄ１を１３５ｎｍとしたときの強度である。等色関数を考慮すると、青色の光の感度が急激に上昇する波長４２０ｎｍから、赤色の光の感度が急激に低下する波長６２０ｎｍの範囲を可視光ＣＲの範囲とし、この範囲の波長の光を干渉によって強度を十分に下げることができれば、オフ位置で可視光をオフできると考えてよい。これらの図３（ａ）〜（ｃ）から分るように、上記の距離ｄ１（１２５〜１３５ｎｍ）にオフ位置を設定すると、４２０ｎｍから６２０ｎｍの範囲の波長の光の強度を０．１以下に弱めることができる。したがって、オン位置で入射された光が全て反射されると考えると、オフ位置の距離ｄ１を１２５ｎｍ〜１３５ｎｍの範囲、すなわち、１３０±５ｎｍの範囲とすることによりオンオフのコントラスト比１０：１以上を得ることができる。
【００３１】
これに対して、図４（ａ）にはオフ位置の距離ｄ１を１００ｎｍとしたとき、図４（ｂ）には距離ｄ１を１１０ｎｍとしたとき、および、図４（ｃ）には距離ｄ１を１２０ｎｍとしたときに本例の光スイッチングデバイス４から出射される光の強度を示してある。これらの図から分るように、距離ｄ１が１２０ｎｍから１００ｎｍの範囲では、可視光領域ＣＲの光の強度は最高で０．３程度になる。したがって、この範囲であっても１０：３程度のコントラスト比を確保することができる。しかしながら、長波長領域、すなわち赤色側での反射光の強度が高くなってしまい、１０：１程度あるいはそれ以下のコントラスト比を得ることは難しくなる。
【００３２】
また、図５（ａ）にはオフ位置での距離ｄ１を１４０ｎｍとした場合を、図５（ｂ）には距離ｄ１を１４５ｎｍとした場合を、図５（ｃ）には距離ｄ１を１５０ｎｍとした場合に本例の光スイッチングデバイス４から出射される光の強度を示してある。これらの図から分るように、距離ｄ１が１４０ｎｍ以上になると、可視光領域ＣＲの光の強度の最高は０．３程度になる。したがって、この範囲であっても１０：３程度のコントラスト比を確保することができる。しかしながら、短波長領域、すなわち青色側での反射光の強度が高くなってしまい、１０：１程度あるいはそれ以下のコントラスト比を得ることは難しくなる。
【００３３】
このように、本例の光スイッチングデバイス４では、オフ位置における反射体４２とハーフミラー２２との距離ｄ１を１００ｎｍから１５０ｎｍにすることにより、１０：３のコントラスト比を確保することができる。一方、距離ｄ１を１２５ｎｍ〜１３５ｎｍの範囲に設定することで、コントラスト比を１０：１まで高めることが可能である。したがって、これらのコントラスト比が得られれば良い用途においては、本例の光スイッチングデバイス４を単独で使用することにより、画像を形成したり、それを投影することが可能である。一方、さらに高いコントラスト比が要求される用途においては、第１の光スイッチングデバイスあるいは光スイッチング素子から出力された光を第２の光スイッチングデバイスあるいは光スイッチング素子の入力として、さらにスイッチングするアレンジを採用する。これにより、コントラスト比を高くすることが可能であり、高コントラスト比が要求される用途の画像表示装置にも本発明の光スイッチング素子およびデバイスを適用することができる。
【００３４】
そして、本例の光スイッチングデバイス４では、１つのオンオフの位置の組み合わせ、すなわち、オフ位置の距離ｄ１が１つで、各色の光７１Ｒ、７１Ｇおよび７１Ｂをオンオフすることができる。従来の光干渉型の光スイッチング素子においては、各色の光の波長λＲ、λＧおよびλＢに応じた距離ｄｒ、ｄｇおよびｄｂをオン位置あるいはオフ位置にしていたのに対し、本例の光スイッチングデバイスでは、オン位置は距離が０、すなわち、反射体４２とハーフミラー２２が密着した位置とし、オフ位置における距離ｄ１を上述した範囲に定めることにより、可視光領域ＣＲの光を一括してオンオフすることができる。
【００３５】
たとえば、コントラスト比を１０：１に設定したとしても、本例の光スイッチングデバイス４は、全ての光スイッチング素子１０のオフ位置ｄ１を、１３０ｎｍを中心に公差±５ｎｍ程度の範囲で製造することにより、設定条件をクリアできる。そして、照明機構２の側で各色の光を順番に光スイッチングデバイス４に供給することにより、全ての色の光を同一の条件、すなわち、移動距離ｄ１でオンオフし、マルチカラーの画像を表示することができる。したがって、本例の光スイッチングデバイスは、干渉型の光スイッチングデバイスでありながら、寸法精度は緩やかで良く、高性能の光スイッチング素子およびデバイスの歩留まりを向上でき、品質の良い光スイッチングデバイスを低コストで供給できる。
【００３６】
図６（ａ）〜（ｄ）に、本例の光スイッチングデバイス４の製造プロセスの概要を示してある。まず、図６（ａ）に示すように、予め駆動回路３８などがＣＭＯＳ回路で作り込まれた半導体基板（第２の基板）３１の表面３１ａに、アクチュエータ３３を製造する。このプロセスは、図示していないが、シリコンなどの適当な材質の犠牲層を用いたフォトリソグラフィー技術を用いて製造できる。たとえば、先ず、基板の表面３１ａに電極層（Ａｌ膜）をディポジットし、パターニングして下電極３５とバネを兼ねた上電極３４の構造のアンカー部分３６を形成する。さらに、下電極３５の周囲に、上電極３４のディンプル５１に対応する位置に突起５０を形成してストッパーを構成する。そして、不図示の犠牲層を挟み、この犠牲層の上にバネを兼ねた上電極３４となる層（Ａｌ膜）をディポジットする。このＡｌ層をパターニングして、上電極３４およびそれを基板３１で支持するポスト３６を形成する。犠牲層の除去はいつのタイミングでも可能であるが、可動する上電極３４を保護するため、素子分離などの最終段階で除去することが望ましい。
【００３７】
次に、図６（ｂ）に示すように、上電極３４に機械的に支持されるようにアルミニウム製の反射体４２を製造する。このプロセスは、アクチュエータ３３に積層するように、上記と同様に犠牲層を用いたフォトリソグラフィー技術により反射体４２を形成することも可能である。これにより、各画素の単位で反射体４２をアクチュエータ３３で上下に駆動する構造が形成される。このタイミングで、アクチュエータ３３を構成するための犠牲層を含めて除去することもできる。なお、図示していないが、アクチュエータ３３および反射体４２を製造するプロセスと同時に、壁３９も半導体基板３１の上に製造する。
【００３８】
一方、図６（ａ）および（ｂ）に示した第２の基板である半導体基板３１の上に構造物を製造する工程と前後して、あるいは同時に、図６（ｃ）に示すように、第１の基板であるガラス基板２１にハーフミラー２２を形成するプロセスを行う。このプロセスでは、ガラス基板２１の表面２１ａに、各画素の単位でハーフミラー２２を形成する。あるいは、ガラス基板２１の表面２１ａの全体にわたりハーフミラー２２を形成しても良く、画素あるいは素子単位で駆動する反射体４２と組み合わされることで、画素単位で制御できる光スイッチング素子を構成できる。ハーフミラー２２は、例えば、フッ化マグネシウムや氷晶石などの屈折誘電体の１／４λの層と、硫化亜鉛などの高屈折誘電体の１／４λの層を交互に積層することにより形成できる。そして、画素単位で分離する場合は、エッチングなどの公知の方法を適用できる。
【００３９】
さらに、ハーフミラー２２の上面（ハーフミラー膜）２２ａを含むガラス表面２１ａに、ＩＴＯなどの透明導電膜を吸着防止用の膜２５として設ける。ハーフミラー２２の上面２２ａに反射体４２の表面４１が密着する際に、吸着防止層２５を挟むことになる。この吸着防止層２５は、反射面４１とハーフミラーの表面２２ａを積極的に同電位（ＧＮＤ）にすることが可能である。このため、ハーフミラー２２が電気的に浮いている場合でも、ハーフミラー２２の表面２２ａがチャージアップし、このハーフミラーの表面２２ａと対向する反射面４１とが静電吸着することを防止できる。したがって、反射体４２を駆動するためのアクチュエータ３３の消費電力を低減でき、また、反射体４２の駆動速度を向上することができる。ＩＴＯ層などの吸着防止膜２５は、反射体４２の側に設けても良い。
【００４０】
そして、図６（ｄ）に示すように、ハーフミラー２２が形成されたガラス基板２１と、アクチュエータ３３および反射体４２が形成された半導体基板３１を、ハーフミラーの表面２２ａと反射面４１とが対面するように組み合わせる。基板２１および３１との間隔は、光スイッチング素子１０の周囲に形成された柱３９により、上述したように、アクチュエータ３３で反射体４２をオフ位置へ駆動した際にハーフミラー２２と反射体４２と間が距離ｄ１となり、オン位置で駆動したときに反射体４２がハーフミラー２２に密着するように設定する。
【００４１】
このように、本例の光スイッチングデバイス４では、ハーフミラー２２を第１の基板であるガラス基板２１に設け、反射体４２を第２の基板である半導体基板３１に設けてある。ハーフミラー２２と、反射体４２とを異なる基板２１および３１の上に形成することにより、これらの基板２１および３１を並列で製造でき、製造工程を短縮し、また、簡略化できるだけでなく、光学的な特性も改善できるなどの多くのメリットがある。すなわち、図８を参考に説明したように、現在提案されている光干渉型の装置は１枚の基板上にスイッチング素子を構成しているために、電極と反射体あるいは半透過体とを兼ねた構造が要求されている。したがって、製造工程が複雑になったり、光学的な特性の改善が難しく、さらに駆動回路を容易には組み込めないといった欠点がある。
【００４２】
これに対し、本例の光スイッチングデバイス４においては、まず、ハーフミラー２２と反射体４２とを別々の基板上に製造できるので、歩留まりが相乗されて悪化することがなく、極めて製造しやすい。そして、反射体４２を別基板である半導体基板３１で支持しているので、半導体基板３１の上にアクチュエータ３３を積層することが可能となり、アクチュエータ３３として静電型に限らず、ピエゾなどのタイプも採用可能となる。そして、反射体４２およびハーフミラー２２が電極を兼用する必要が無くなるので、これらの両端が基板に固定されたり、支柱に固定されたりすることがない。したがって、スイッチングする間に撓んだり歪んだりする可能性が非常に低くなり、オフ位置で設定した距離ｄ１となるように反射体４２およびハーフミラー２２を制御できる。このため、本例の光スイッチングデバイス４は、距離ｄ１の公差も十分に確保できることもあり、所望の性能の光スイッチングデバイスを歩留まり良く製造することができる。
【００４３】
また、第２の基板３１は、反射体４２の反対側に位置することになるので、透明基板である必要はなく、半導体基板として駆動回路を従来の半導体基板を製造するプロセスで作り込むことができる。また、反射体４２の反射面４１が第２の基板３１の外面を向き、また、ハーフミラー２２の面２２ａが外側を向くので、吸着防止膜を塗布するなどの処理がし易いなど、本例の光スイッチングデバイス４は反射性能の高い光スイッチングデバイスとするのに適した構成となっている。このように、本例の光スイッチングデバイス４は光干渉型でありながら、ハーフミラー２２と反射体４２とを別々の基板上に構成することにより、光干渉型の光スイッチング素子の各々の構成を最適化することが可能となっており、高性能の光スイッチングデバイス４を低コストで提供することができる。もちろん、基板（第の基板）３１は、上記の半導体基板に限らず、アクチュエータ３３を支持できる基板であれば、本発明の効果が得られる。
【００４４】
そして、本例の光スイッチングデバイス４では、各色の波長毎にオンオフの位置を変える必要がないので、複数のアレイ状に配置された光スイッチング素子１０を、全て同じで比較的単純な構成で形成できる。つまり、各色の波長に応じた距離となるように、ハーフミラーと反射体の距離および電極間の距離を複雑に制御あるいは設計・製造する必要はなく、スイッチングする光の波長に依存しない構造を採用でき、アクチュエータの制御においても光の波長に依存しない条件でオンオフできる。この点においても、構造を簡略化でき、さらに信頼性の高い光スイッチングデバイス４を提供できる。このため、光スイッチングデバイス４の寸法上の制約を緩め、製造の容易化を実現でき、量産性のある光スイッチングデバイス４を提供できる。
【００４５】
なお、上記では、光スイッチングデバイス４に対し垂直に光が入射する画像表示装置を例に説明しているが、斜めに光が入射して出力される光スイッチングデバイスに対しても本発明を適用することができる。この場合は、その入射および出射光路に沿った距離を上記のｄ１の範囲に設定することが望ましい。
【００４６】
また、照明機構２において、回転型のカラーフィルタ２ｂを採用し、これにより時分割して所望の色を光スイッチングデバイス４に照射する例を示しているが、これに限られない。例えば、光源部に各色のＬＥＤを用いて、各色の光を順番に光スイッチングデバイスに照射できる照明機構であれば良い。また、単板式に限らず、同一の構成、すなわち、オフ位置が同じ光スイッチングデバイスを３組用いてダイクロイックミラーを用いた光学系と組み合わせて３板式のプロジェクタを構成することも可能である。
【００４７】
さらに、図３ないし５に示したように、波長が４２０ｎｍ〜６２０ｎｍの範囲を超えるとコントラスト比が悪化する傾向になるので、照明機構２において、白色光を色分離すると共に、ダイクロイックミラーあるいはプリズムを用いて４２０ｎｍ以下の波長の光や、６２０ｎｍ以上の波長の光をカットして光スイッチングデバイス４に照射し、コントラスト比を向上させることも可能である。
【００４８】
また、上記では、光スイッチング素子１０をアレイ状に並列に配置した例を示しているが、複数の光スイッチング素子１０あるいは光スイッチングデバイス４を用いて、光をシリーズに変調し、コントラスト比を向上できることは上述した通りである。
【００４９】
さらに、本発明のスイッチングデバイス４は反射型なので、図７に示すように、カラーフィルタ８１を重ねて配置し、用いて反射型の液晶パネルと同様の直視型の画像表示装置８０を提供できる。そして、液晶パネルより高速で、高解像度であり、さらに、消費電力も少ない画像表示装置を提供でき、携帯電話などの表示パネルとして採用することが可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、オン位置で反射体と半透過体が密着し、オフ位置で反射体と半透過体とを可視光領域の光を干渉でオフできる距離にしている。特に、オフ位置の距離を１３０ｎｍ±５ｎｍ程度にすることにより、１０：１というコントラストを実現できる。このため、本発明により、干渉型の光スイッチングデバイスにおいて、その寸法上の制約を緩め、製造を容易にでき、信頼性の高い光スイッチングデバイスを低コストで提供できる。
【００５１】
さらに、本発明は、ハーフミラー、すなわち半透過体と反射体との距離を制御する干渉型の光スイッチングデバイスに関するものであり、半透過体と、反射体とを異なる基板に形成することにより、歩留まりが相乗されて製品不良が増加するのを防止することができるなどの製造上のメリットを得ることができる。それと共に、反射体を別基板である半導体基板で支持することにより、反射体とアクチュエータとしての機能を分離することが可能となり、光学的性能を向上しやすく、さらに、半導体基板に駆動回路を組み込むことができるなどの上記にて開示した多種多様の効果を得ることができる。このため、本発明により、歩留りの高い、またスイッチングの信頼性も高い光スイッチングデバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光スイッチングデバイスを用いたプロジェクタ装置の概要を示す図である。
【図２】図１に示す光スイッチングデバイスにおける光スイッチング素子のオン状態またはオフ状態を示す図である。
【図３】図２に示す、反射体およびハーフミラーとの距離ｄ１が１２５ｎｍ〜１３５ｎｍの範囲の光スイッチングデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示すグラフである。
【図４】図２に示す、反射体およびハーフミラーとの距離ｄ１が１００ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲の光スイッチングデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示すグラフである。
【図５】図２に示す、反射体およびハーフミラーとの距離ｄ１が１４０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲の光スイッチングデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示すグラフである。
【図６】図２に示す光スイッチングデバイスの製造プロセスを模式的に示す図である。
【図７】本発明に係る光スイッチングデバイスを用いた直視型の表示装置の概要を示す図である。
【図８】従来の干渉型の光スイッチングデバイスの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１    プロジェクタ
２    照明機構
２ａ    白色光源、２ｂ    カラーフィルタ、２ｃ    コンデンサーレンズ
３    ビームスプリッタ
４    光スイッチングデバイス
５    制御機構
６    投写レンズ
７    スクリーン
１０    光スイッチング素子
２１    ガラス基板（第１の基板）
２２    ハーフミラー、２２ａ    ハーフミラーの表面
２５    吸着防止層
３１    半導体基板（第２の基板）
３３    アクチュエータ
３４    上電極
３５    下電極
３８    駆動回路
３９    壁（支柱）
４１    反射面
４２    反射体
５０    ストッパー
７１    入射光
７２    出力される表示光
【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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