(57)【要約】【課題】  可動部を小さく変位させることによって光ビームの進行方向を大きく変化させる光学素子を提供する。【解決手段】  第１物体１０と第２物体２０とアクチュエータ４２，５８，９０を備えている。第１物体１０は、光ビームに対して透明であり、屈折率がｎ１であり、光ビームを射出する第１面１４を持っている。第２物体２０は、第１面１４から射出された光ビームを入射する第２面２１を持っており、光ビームに対して透明であり、屈折率がｎ２である。アクチュエータは、第１面１４と第２面２１が当接する第１位置関係（ａ）と、第１面１４と第２面２１が光ビームの半波長以上離反する第２位置関係（ｂ）のいずれかに切換える。  光学素子２が置かれている雰囲気の屈折率がｎ０であるとすると、第１面１４に対する光ビームの入射角θが、（ｎ０／ｎ１）＜sin θ＜（ｎ２／ｎ１）の関係を満たす。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームの進行方向を切換える光学素子であり、
光ビームに対して透明であり、屈折率がｎ１であり、光ビームを射出する第１面を持っている第１物体と、
前記第１面から射出された光ビームを入射する第２面を持っており、光ビームに対して透明であり、屈折率がｎ２である第２物体と、
前記第１面と前記第２面が当接する第１位置関係と、前記第１面と前記第２面が前記光ビームの半波長以上離反する第２位置関係のいずれかに切換えるアクチュエータを備えており、
前記光学素子が置かれている雰囲気の屈折率がｎ０であるときに、
第１面に対する光ビームの入射角θが、（ｎ０／ｎ１）＜sin θ＜（ｎ２／ｎ１）の関係を満たしていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１物体が窒化シリコンであり、前記第２物体が酸化シリコンであり、前記雰囲気が真空または空気であり、前記入射角θが３０°＜θ＜４６°であることを特徴とする請求項１の光学素子。
【請求項３】
前記第１物体と第２物体の双方が窒化シリコンであり、前記雰囲気が真空または空気であり、前記入射角θが３０°以上であることを特徴とする請求項１の光学素子。
【請求項４】
前記第１物体が酸化シリコンであり、前記第２物体が酸化シリコンまたは窒化シリコンであり、前記雰囲気が真空または空気であり、前記入射角θが４４°以上であることを特徴とする請求項１の光学素子。
【請求項５】
前記第１物体が光ビームを入射する入射面を備えており、
前記第２物体が光ビームを射出する射出面を備えており、
前記第１面と前記入射面が非並行であり、
前記第２面と前記射出面が非並行であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
請求項1から請求項５のいずれか1項に記載の光学素子の複数個が配列されており、
個々の光学素子のアクチュエータが隣接する光学素子のアクチュエータから独立に制御可能なことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームの進行方向を切換えることができる光学素子に関する。本発明は、その光学素子の複数個を利用して画像を提供する光学装置をも提供する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、光ビームを入射して射出する光学素子であって、光ビームの進行方向を切換えることができる光学素子が開示されている。この光学素子は、光ビームを反射するミラーと（ビーム３０と表現されている）と、ミラーを支える一対の梁（ヒンジ３４，３６と表現されている）と、ミラーの指向方向を切換えるアクチュエータ（電極４２，４６と表現されている）を備えている。この光学素子では、アクチュエータによってミラーの指向角度を切換えることによって、光ビームの進行方向を切換える。
【０００３】
特許文献１は、上記の光学素子の複数個をマトリクス状に配列した光学装置をも開示している。この光学装置では、各光学素子(セルと表現されている)のアクチュエータを、他のセルのアクチュエータから独立に制御することができる。このために、セル毎に、そのセルから射出される光ビームを結像レンズに入射するか否かを制御することができる。この光学装置によると、結像レンズによって形成される像の画像を制御することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平６-２５８５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の光学素子と光学装置は多くの用途を持ち、例えば、投射型の画像表示装置、静電写真印刷装置、あるいは光学的情報処理装置等において広く用いられている。極めて有用なものであるが、耐久性に問題があることが分ってきている。
明るい像を得たいとする強い要求があり、そのためには口径の大きな結像レンズを使用する必要がある。口径が大きい場合、光ビームを結像レンズに入射するか否かを制御するためには、光ビームの進行方向を大きく変化させなければならない。光ビームの進行方向を大きく変化させるためにはミラーの指向角度を大きく変化させなければならず、ミラーを支える梁を大きく歪ませなければならない。特許文献１の光学素子では、ミラーを支える梁を大きく歪ませる必要があり、梁が疲労して変形しやすい。特許文献１の光学素子は耐久性に不満を残している。
【０００６】
本発明では、光学素子の可動部を小さく変位させることによって光ビームの進行方向を大きく変化させることができる光学素子を提供する。本発明は、光学素子の可動部の歪を小さく抑え、疲労が蓄積しづらくする。
本発明はまた、個々の光学素子の耐久性が高い光学装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、光ビームの進行方向を切換える光学素子であり、第１物体と、第２物体と、アクチュエータを備えている。
第１物体は、光ビームに対して透明であり、屈折率がｎ１であり、光ビームを射出する第１面を持っている。第２物体は、第１物体の第１面から射出された光ビームを入射する第２面を持っており、光ビームに対して透明であり、屈折率がｎ２である。アクチュエータは、第１物体の第１面と第２物体の第２面が当接する第１位置関係と、第１物体の第１面と第２物体の第２面が光ビームの半波長以上離反する第２位置関係のいずれかに切換える。
光学素子が置かれている雰囲気、すなわち第１物体と第２物体を取り囲んでいる環境の屈折率がｎ０であるとすると、本発明の光学素子では、第１面に対する光ビームの入射角θが、（ｎ０／ｎ１）＜sin θ＜（ｎ２／ｎ１）の関係を満たすように選択されている。
【０００８】
上記式において（ｎ０／ｎ１）＜sin θの条件を満たしていると、第１物体の第１面と第２物体の第２面の間に光ビームの半波長程度（あるいはそれ以上）の間隔を設けると、第１物体内を第１面に向かう光ビームは第１面で全反射される。第２物体の側に向けて進行することがない。
一方、sin θ＜（ｎ２／ｎ１）の条件を満たしていると、第１物体の第１面と第２物体の第２面を当接させたときに、第１物体内を第１面に向かう光ビームが第１面で全反射されず、少なくとも一部が第２物体内に進行する。
アクチュエータが、第１面と第２面が当接する第１位置関係と、第１面と第２面が半波長以上離反する第２位置関係のいずれかに切換えることから、第１物体内を第１面に向かう光ビームが第１面で全反射されて第２物体内に進行しない状態と、第１物体内を第１面に向かう光ビームが第１面で全反射されずに第２物体内に進行する状態が切換えられる。光学素子から射出される光ビームの進行方向を切換えることができる。
【０００９】
この光学素子では、第１物体と第２物体が相対的に半波長程度の距離を変位することによって、光ビームの進行方向が切換えられる。ミラーの指向角度を変化させる方式で必要とされる変位量に比して、半波長程度の変位量は格段に小さい。本発明の光学素子では、可動部に発生する歪を小さく抑えることができ、疲労を蓄積しづらくすることができる。本発明の光学素子によると、高い耐久性が得られる。
【００１０】
この光学素子は、種々の用途を持っている。例えば第１面で全反射した光ビームの光路上に受光装置を配置すれば、受光装置で受光するか否かを切換える光スイッチに利用することができる。第２物体内に進行する光ビームの光路上に受光素子を配置してもよい。
あるいはこの光学素子で、経過時間に応じて光ビームの進行方向を切換えると、特定方向に進行する光ビームを変調することもできる。変調器に利用することもできる。
【００１１】
第１物体と第２物体は、その屈折率が雰囲気の屈折率よりも大きければよく、第１物体の屈折率と第２物体の屈折率が相違していてもよいし、同一であってよい。
例えば、第１物体を窒化シリコンとし、第２物体を酸化シリコンとすることができる。この光学素子を真空中または空気中で用いる場合には、第１面に対する入射角θを３０°＜θ＜４６°とすればよい。
第１物体と第２物体の双方を窒化シリコンとしてもよい。この光学素子を真空中または空気中で用いる場合には、第１面に対する入射角θを３０°以上とすればよい。入射角は必ず９０°以下であることから、入射角に関する上限値は実質的に存在しない。
第１物体を酸化シリコンとしてもよい。この場合、第２物体が窒化シリコンであってもよいし、第２物体もまた酸化シリコンであってよい。この光学素子を真空中または空気中で用いる場合には、第１面に対する入射角θを４４°以上とすればよい。入射角は９０°以下であることから、入射角に関する上限値は実質的に存在しない。
また第１物体と第２物体は、複数種類の材料から構成されていてもよい。例えば、第２物体の第２面側を酸化シリコンとし、その反対側に窒化シリコンを積層してもよい。酸化シリコンと窒化シリコンの積層界面で全反射しない入射角度で用いる場合には、第２物体の第２面側を窒化シリコンとし、その反対側に酸化シリコンを積層してもよい。
上記の光学素子のいずれによっても、第１物体と第２物体を当接させれば光ビームが第２物体内に進行し、第１物体と第２物体を離反させれば光ビームが第１面で全反射される結果を得ることができる。すなわち、その結果を実現する入射角の範囲が存在する。
【００１２】
光ビームを生成する光源を第１物体内に作り込むこともできる。あるいは光源と第１物体を当接させることもできる。従って、第１物体が光ビームを入射する入射面を備えていることが不可欠ではない。しかしながら光源と第１物体を離反して配置する場合には、第１物体に光ビームを入射する入射面を形成しておく必要がある。
この場合、第１物体の第１面と入射面を非並行とすることによって、光ビームが入射面から第１物体内に進行し、第１物体内を進行した光ビームが第１面で全反射する入射角を得ることができる。
同様に、第２物体内を進行する光ビームを利用する受光素子を第２物体内に作り込むこともできる。あるいは第２物体と受光素子を当接させることもできる。従って、第２物体が光ビームを射出する射出面を備えていることが不可欠ではない。しかしながら第２物体と受光素子等を離反して配置する場合には、第２物体に光ビームを射出する射出面を形成しておく必要がある。
この場合、第２物体の第２面と射出面を非並行とすることによって、第１面と第２面が当接している状態の第２面から光ビームが第２物体内に進行し、第２物体内を進行した光ビームが射出面で全反射せずに第２物体外に射出される入射角を得ることができる。
【００１３】
上記した光学素子の複数個を組み合わせて用いることによって、像に現れる画像を制御する光学装置を実現することもできる。すなわち、複数個の光学素子を一次元または二次元に配列し、個々の光学素子のアクチュエータを隣接する光学素子のアクチュエータから独立に制御可能とすることによって、像に現れる画像を制御することができる。
光学素子を一次元に配列すれば一次元の画像を得ることができ、光学素子を二次元に配列すれば二次元の画像を得ることができる。
また、第１物体の第１面で全反射する光ビームを結像させることもできれば、第１物体の第１面から第２物体内に進行して第２物体の射出面から射出される光ビームを結像させることもできる。
なお、画像を構成するピクセルと単位となる光学素子が１対１に対応している必要は必ずしもない。２個の光学素子で１ピクセルを構成してもよいし、３個以上の光学素子で１ピクセルを構成してもよい。ピクセルを構成する光学素子が複数個であれば、その複数個の光学素子どうしの間では独立に制御する必要はない。隣接する光学素子から独立に制御可能であるという意味は、隣接するピクセルのための光学素子（あるいは光学素子群）から独立して制御できることを意味する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、可動部の微小な動き（可視光であれば２５０ｎｍ程度の動き）で光ビームの進行方向を大きく変化させることをできる。そのために、可動部が繰返して変形しても疲労が蓄積しづらく、光学素子の耐久性を高めることができる。
また本発明によると、複数個の光学素子を組み合わせて構成する光学装置の耐久性をも高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に説明する実施例の主要な特徴を整理しておく。
（特徴１）シリコン基板を利用して複数個の光学素子を同時に製造する。
（特徴２）シリコン基板を利用して複数個の光学素子が配置されている光学装置を製造する。
（特徴３）シリコン基板をＴＭＡＨ（tetramethyl ammonium hydride）溶液で異方性エッチングして、第１物体の入射面を形成する。
（特徴４）シリコン基板を、J. Vac. Sci. Technol. B21(4), July/Aug 2003 pp 1240-1247 の技術で処理して、第２物体の射出面を形成する。
（特徴５）窒化シリコン（または酸化シリコン）と、シリコンと、窒化シリコン（または酸化シリコン）の積層構造を製造し、シリコン層をエッチングすることによって、第１物体を構成する窒化シリコン（または酸化シリコン）と、第２物体を構成する窒化シリコン（または酸化シリコン）の間に間隙を形成する。
（特徴６）第１物体を一対の梁によって支持し、第２物体を他の一対の梁によって支持する。第１物体を支持する梁と第２物体を支持する梁の間に電極対を設ける。電極対の間に電圧を印加すると第１物体と第２物体が当接する。電極対の間に電圧を印加しないと第１物体と第２物体の間に間隔が形成される。
【実施例】
【００１６】
図１は、第１実施例の光学素子２を構成する第１物体１０と第２物体２０を例示している。第１物体１０は、光ビームＢ１を入射する入射面１１と、第１物体１０内を進行した光ビームＢ２を射出する射出面１４を備えており、その屈折率はｎ１である。第２物体２０は、第１物体１０内を進行した光ビームＢ２を入射する入射面２１と、第２物体２０内を進行した光ビームＢ４を射出する射出面２４を備えており、その屈折率はｎ２である。第１物体１０と第２物体２０は、真空中または空気中で用いられる。従って雰囲気の屈折率ｎ０は１である。ｎ１＞ｎ０であり、ｎ２＞ｎ０である。ｎ１とｎ２の関係は拘束されず、ｎ１＞ｎ２であってもよいし、ｎ１＜ｎ２であってもよいし、ｎ１＝ｎ２であってもよい。後記する入射角を選択することによって、意図した結果を得ることができる。
図１（ｂ）に示すように、第１物体１０の射出面１４と第２物体１０の入射面２１は、密着する関係にある。また図１（ａ）に示すように、射出面１４と入射面２１は、離反する関係にある。後記するアクチュエータによって、図１（ａ）の位置関係と、図１（ｂ）の位置関係のいずれかに切換えられる。図１（ａ）における射出面１４と入射面２１の間隔Ｇは、光ビームＢ１の波長の半分であり、極めて小さい。可視光に対する光学素子の場合、間隔Ｇは２５０ｎｍ程度で足りる。
第１物体１０の入射面１１と射出面１４は非並行に調整されており、αの角度をなしている。同様に、第１物体２０の入射面２１と射出面２４は非並行に調整されており、βの角度をなしている。
【００１７】
この光学素子は、第１物体１０の入射面１１に光ビームＢ１を入射して用いる。図１では、その入射角（入射面１１の法線１２と光ビームＢ１の間の角度）をθ０としている。
入射角θ０が決まれば、スネルの法則によって、第１物体１０内を進行する光ビームＢ２の屈折角θ１ａ（法線１２と光ビームＢ２の間の角度）が決まる。光ビームＢ２の屈折角θ１ａが決まれば、入射面１１と射出面１４のなす角度αを加味することによって、光ビームＢ２の射出面１４に対する入射角θ１ｂ（射出面１４の法線１３と光ビームＢ２の間の角度）が決まる。光ビームＢ２の射出面１４に対する入射角θ１ｂが規定された場合は、上記を逆に計算することによって、その入射角θ１ｂを実現する入射角θ０を計算することができる。
【００１８】
図１（ａ）の位置関係にある場合、スネルの法則等から、前記の入射角θ１ｂに関してsin θ１ｂ＞（ｎ０／ｎ１）の関係が成立していると、第１物体１０内を進行する光ビームＢ２は、Ｂ３に示すように全反射することが知られている。
例えば、雰囲気の屈折率ｎ０が１であり、第１物体１０が窒化シリコンであれば、その屈折率ｎ１がほぼ２であることから、sin θ１ｂ＞0.5であり、θ１ｂ＞３０°であるときに、光ビームＢ２が全反射する。雰囲気の屈折率ｎ０が１であり、第１物体１０が酸化シリコンであれば、その屈折率ｎ１がほぼ１．４であることから、sin θ１ｂ＞0.71であり、θ１ｂ＞４４°であるときに、光ビームＢ２が全反射する。
前記したように、入射角θ１ｂが規定されたときに、その入射角θ１ｂを実現する入射角θ０を計算することができる。前記した範囲にある入射角θ１ｂを実現する入射角θ０を選択することによって、図１（ａ）の位置関係に調整した場合に、光ビームＢ２を射出面１４で全反射する光学素子を実現することができる。
【００１９】
図１（ｂ）の位置関係にある場合、スネルの法則等から、前記の入射角θ１ｂに関してsin θ１ｂ＜（ｎ２／ｎ１）の関係が成立していると、第１物体１０内を進行する光ビームＢ２が第２物体２０内に進行することが知られている。
ｎ２＞ｎ１またはｎ２＝ｎ１であれば、光ビームＢ２が第２物体２０内に進行するために必要とされる入射角θ１ｂに関する条件は必ず満たされる。例えば第１物体が酸化シリコン（ｎ１＝１．４）であり、第２物体が窒化シリコン（ｎ１＝２．０）であれば、ｎ２＞ｎ１であり、第１物体１０の射出面１４と第２物体２０の入射面２１を密着させれば、第１物体１０内を進行した光ビームＢ２は、必ず第２物体２０内に進行する。第１物体と第２物体の双方が窒化シリコンである場合、あるいは第１物体と第２物体の双方が酸化シリコンである場合も、ｎ２＝ｎ１であり、第１物体１０の射出面１４と第２物体２０の入射面２１を密着させれば、第１物体１０内を進行した光ビームＢ２は、必ず第２物体２０内に進行する。すなわち、光ビームＢ２が第１物体１０の射出面１４で全反射されないようすることができる。
一方、ｎ２＜ｎ１であっても、sin θ１ｂ＜（ｎ２／ｎ１）であれば、光ビームを第２物体２０内に進行させることができる。例えば、第１物体が窒化シリコン（ｎ１＝２．０）であり、第２物体が酸化シリコン（ｎ１＝１．４）であっても、入射角θ１ｂが４６°以下であれば、光ビームを第２物体２０内に進行させることができる。すなわち、光ビームＢ２が第１物体１０の射出面１４で全反射されないようするすることができる。
【００２０】
図２５は、図１（ａ）の位置関係で全反射し、図１（ｂ）の位置関係で全反射しない結果が得られる入射角θ１ｂの範囲を示している。第１物体と第２物体の屈折率を選択することによって、全反射する状態と全反射しない状態を切換えることができる光学素子を実現できることが確認される。なお入射角は必ず９０°以下であり、上限が９０°であると表示されている場合は、実質的には入射角に上限が存在しないことを意味している。
図２５は、全反射する状態と全反射しない状態を切換えることができる光学素子の一例を示しているに過ぎず、これ以外の材料の組み合わせも当然に可能である。各種のガラスを利用することもできる。
一般的に、第１物体１０の射出面１４に対する光ビームＢ２の入射角θ１ｂに関して、（ｎ０／ｎ１）＜sin θ１ｂ＜（ｎ２／ｎ１）の関係が満たす入射角θ０を選択すれば、図１（ａ）の位置関係で全反射し、図１（ｂ）の位置関係で全反射しない光学素子を実現することができる。あるいは、上記関係を満たす屈折率ｎ１，ｎ２を持つ材質を選択することによって、図１（ａ）の位置関係で全反射し、図１（ｂ）の位置関係で全反射しない光学素子を実現することができる。
【００２１】
図２６に例示するように、第１物体１０内に光ビームＢ２を発生する発光素子９０を作り込むことができる。従って、図２６（ａ）の位置関係で全反射し、図２６（ｂ）の位置関係で全反射しない光学素子を実現するにあたって、第１物体１０の入射面１１に関する条件は必ずしも必要とされない。
同様に、第２物体２０内に光ビームＢ４を受光する受光素子９２を作り込むことができる。従って、図２６（ａ）の位置関係で全反射し、図２６（ｂ）の位置関係で全反射しない光学素子を利用するにあたって、第２物体２０の射出面２４に関する条件は必ずしも必要とされない。
【００２２】
図１に例示するように、光ビームＢ１の光源が第１物体１０の外部にある場合、第１物体１０が光ビームＢ１を入射する入射面１１を備えている必要がある。この場合、第１物体１０の入射面１１と射出面１４が並行であると、光ビームＢ１が入射面１１では全反射せず、射出面１４で全反射する結果を得ることができない。しかしながら、第１物体１０の入射面１１と射出面１４を非並行とすると、光ビームＢ１が入射面１１では全反射せず、射出面１４で全反射する結果を得ることができる。第１物体１０の入射面１１と射出面１４を非並行とすることによって、図１（ａ）の位置関係で全反射し、図１（ｂ）の位置関係で全反射しない光学素子を実現することができる。
同様に、第２物体１０の入射面２１と射出面２４が並行であると、入射面２１では光ビームＢ１が入射面２１で全反射せず、射出面２４でも全反射しない結果を得ることができない。しかしながら、第２物体１０の入射面２１と射出面２４を非並行とすると、光ビームＢ２が入射面２１で全反射せず、さらに光ビームＢ４が射出面２４でも全反射しない結果を得ることができる。第２物体２０の入射面２１と射出面２４を非並行とすることによって、図１（ａ）の位置関係で第２物体２０に光ビームが進行せず、図１（ｂ）の位置関係で第２物体２０から光ビームが射出される光学素子を実現することができる。
【００２３】
本発明の光学素子を単独で用いることもできるが、複数個の光学素子を１次元または２次元に配列することによって、像に現れる画像を制御する光学装置を構成することができる。個々の光学素子のアクチュエータを隣接する光学素子のアクチュエータから独立に制御可能とすると、像に現れる画像を制御することができる。
【００２４】
図２は、第１実施例の光学素子２の斜視図を示しており、（ａ）は第１物体１０の射出面１４と第２物体２０の入射面２１が、光ビームの半波長以上の距離だけ隔てられている状態を示し、（ｂ）は第１物体１０の射出面１４と第２物体２０の入射面２１が密着している状態を示している。（ａ）では、入射ビームＢ１が全反射されてＢ３に示す光ビームとなり、（ｂ）では、入射ビームＢ１が第２物体２０内を進行してからＢ５に示す方向に射出されることを示す。
光ビームＢ５の光路上に受光素子等を配置すれば、（ｂ）でオンして（ａ）でオフする利用の仕方ができる。光ビームＢ３の光路上に受光素子等を配置すれば、（ａ）でオンして（ｂ）でオフする利用の仕方ができる。
複数個の光学素子が配置されている光学装置の場合、個々の光学素子から射出される光ビームＢ３を結像レンズに入射して像を形成してもよいし、個々の光学素子から射出される光ビームＢ５を結像レンズに入射して像を形成してもよい。
【００２５】
光学素子２は、一対のサポート９２ａ,９２ｂを備えており、その間に第１層５２と、第２層５６が形成されている。第１層５２の下面に第１ブロック５０が形成されている。第２層５６の上面に第２ブロック７６が形成されている。第１ブロック５０と第１層５２と第２層５６と第２ブロック７６は、光ビームＢに対して透明である。第１ブロック５０と第１層５２によって、第１物体１０が構成されている。第２層５６と第２ブロック７６とによって、第２物体２０が構成されている。
第１層５２の下面の第１ブロック５０の両サイドに、電極４２ａ，４２ｂが形成されている。第２層５６の上面の第２ブロック７６の両サイドに、電極５８ａ，５８ｂが形成されている。電極５８ａと電極４２ａは向かい合っている。電極５８ｂと電極４２ｂも向かい合っている。第２層５６は非常に薄くて柔軟である。
電極５８ａと電極４２ａ間、ならびに電極５８ｂと電極４２ｂ間に電圧をかけないと、第２層５６は平坦であり、（ａ）の位置関係をとる。電極５８ａと電極４２ａ間、ならびに電極５８ｂと電極４２ｂ間に電圧をかけて、電極間に静電引力を発生させると、薄くて柔軟な第２層５６が第１層５２に引き付けられ、（ｂ）の位置関係をとる。第２層５６のうち、電極５８ａ，５８ｂよりも外側の部分９０ａ，９０ｂが、変形する梁に相当する。
【００２６】
第１ブロック５０は、４つの傾斜側面５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄを備えており、４角錐形状である。いずれの傾斜側面に光ビームＢ１を入射してもよい。第２ブロック７６も、４つの傾斜側面７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄを備えており、４角錐形状である。４つの傾斜側面７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄのうちの一つが射出面２４となる。光ビームＢ１を４つの傾斜側面５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄのいずれに入射するかによって、傾斜側面７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄのうちのいずれかが射出面２４となる。
【００２７】
図３から図２１は、光学素子２の製造プロセスを示している。
図３は、ｐ型のシリコン基板４０を用意した段階を示す。
図４は、ｎ型不純物をシリコン基板４０の表面の所定の領域に注入して拡散することによって、電極４２ａ、４２ｂとなるｎ型の拡散領域を形成した段階を示す。
図５は、開口４４ａを有する酸化シリコン膜４４を形成した段階を示す。開口４４ａは、第１ブロック５０を形成する位置の中央に設ける。
図６は、酸化シリコン４４をエッチングせず、シリコン４０をエッチングするエッチング材を用いて、シリコン基板４０をエッチングした状態を示す。このエッチング工程では、Sensors and Actuator A, 34(1992) pp 51-57, Anisotropic etching of silicon in TMAH solution, Osamu Tabata, Ryouji Asahi, Hirofumi Funabashi, Keiichi Shimaoka, and Susumu Sugiyama に記載されている異方性エッチングを実施する。すると、シリコン基板４０に、４つの傾斜面４６ａ，４６ｂ等を有する４角錐形状のピット４６が形成される。
図７は、酸化シリコン膜４４を除去した段階を示している。
図８は、窒化シリコン膜４８を形成した段階を示している。窒化シリコン膜４８はピット４６を充填する。
図９は、ＣＭＰ（化学機械研磨）法で、窒化シリコン膜４８を研磨した段階を示している。ピット４６を充填した窒化シリコン膜４８が残存し、４つの傾斜側面５０ａ，５０ｂ等を持つ第１ブロック５０が形成される。第１ブロック５０は、窒化シリコンで形成されており、透明であり、傾斜側面５０ａ，５０ｂ等を備えている。
図１０は、窒化シリコン膜５２を形成した段階を示している。窒化シリコン膜５２は第１層５２となる。
図１１は、シリコン膜を形成してパターニングすることによって、後でエッチングして除去する犠牲層５４を形成した段階を示す。犠牲層５４は第１ブロック５０を取り囲む範囲に形成する。犠牲層５４は、後記する空洞８０を形成する範囲に形成する。犠牲層５４の厚みは、第２物体２０に必要とされる変位量に等しくする。可視光用の光学素子２であれば、２５０ｎｍ程度の薄い犠牲層５４を成膜すればよい。
図１２は、窒化シリコン膜５６を形成した段階を示している。窒化シリコン膜５６は第２層５６となる。
図１３では、ポリシリコン５８ａ,５８ｂを形成し、ポリシリコン５８ａ,５８ｂにイオン注入して導電性を与える。導電性ポリシリコン５８ａ,５８ｂが、電極を形成する。電極５８ａは電極４２ａに向かい合う位置に形成され、電極５８ｂは電極４２ｂに向かい合う位置に形成される。電極５８ａ，５８ｂの一部は、犠牲層５４の上部にまで達している。導電性ポリシリコン電極５８ａ,５８ｂの表面は酸化され、絶縁層６０ａ，６０ｂで覆われている。絶縁層６０ａ，６０ｂの表面を、ポリシリコン６２ａ,６２ｂで覆っておく。
図１４は、電極４２ａ、４２ｂに対応する位置の窒化シリコン層５６,５２に貫通孔６４ａ，６４ｂを開け、そこにアルミ層を成膜してパターニングした段階を示す。この段階で、電極４２ａに導通するアルミ配線６４ａと、電極４２ｂに導通するアルミ配線６４ｂが形成される。また、図２２に示すように、導電性のポリシリコン電極５８ａ,５８ｂは、導電性のポリシリコン配線５８ｃによって接続されており、その配線５８ｃに導通するアルミ配線６６ｃもこの段階で形成される。アルミ配線６６ｃを形成するのに先立って、図２３に示すように、導電性のポリシリコン配線５８ｃを被覆している絶縁膜６０ｃに貫通孔を形成しておく。
図１５は、酸化シリコン膜６８を成膜してパターニングした段階を示す。
図１６は、窒化シリコン膜７０を成膜し、その表面にレジスト７２をパターニングした段階を示す。レジスト７２は、第２ブロック７６を形成する位置に形成する。
図１７は、J.Vac.Sci.Technol.B21(4), Jul/Aug 2003, pp 1240-1247, American Vacuum Society, Fabrication of controlled sidewall angles in thin films using isotropic etches, Shom Ponoth, Navnit Agarwal, Peter Persans, Joel Plawskyに記載の方法で窒化シリコン膜７０と酸化シリコン膜６８をエッチングしている段階を示す。具体的に説明すると、ＢＨＦ溶液（buffered hydrofluoric acid溶液、NH4F:HF=10:1を用いる）を用いてエッチングする。図１５に示した酸化シリコン膜６８の製造工程でＰＥＣＶＤ法(plasma enhanced chemical vapor deposition)を用い、SiH4 流量を４００sccm(窒素中2％)とし、N2O流量を９００sccmとし、RF powerを２５Ｗとし、圧力を９Torrとし,温度を３００℃とし、図１６に示した窒化シリコン膜７０の製造工程でＰＥＣＶＤ法を用い、SiH4 流量を４８８sccm(窒素中2％)とし、He流量を２２４８sccmとし、RF powerを３０Ｗとし、圧力を０．８９Torrとし、温度を２００℃としておくと、図１７に示すエッチングによって、図１の角度βが２０°となる傾斜斜面をエッチングすることができる。図１８は、エッチングを終了した状態を示す。酸化シリコン６８によって第２ブロック７６が完成する。第２ブロック７６は、傾斜角βが２０°である４つの傾斜側面７６ａ、７６ｂ等を備えている。
図１８の工程後、窒化シリコン層５６に図２２に示す貫通孔７８ａ，７８ｂを形成する。
図１９は、貫通孔７８ａ，７８ｂから犠牲層シリコン５４をエッチングして空洞８０を完成した段階を示す。このときに、ポリシリコン層６２ａ，６２ｂもエッチングされる。
図２０は、シリコン基板４０の裏面に、開口８２ａを有する窒化シリコン膜８２を形成した段階を示す。
図２１は、シリコン基板４０の裏面の開口８２ａからシリコン基板４０を異方性エッチングした段階を示す。この工程では、図７と同様の異方性エッチング技術を採用することができる。なお、この工程では、シリコン基板４０の表面側をワックス等で保護するか、あるいは、シリコン基板４０の表面側にエッチング液が接触しない治具を用いる。以上によって、図２に示す光学素子２が製造される。
【００２８】
図２２は、光学素子２の平面図を示しており、図２３は、図２と図２２のＹ−Ｙ線断面図を示している。図３から図２１は、Ｘ−Ｘ線断面を示している。
光学素子２のアルミ配線６６ｃにプラス電圧を印加し、アルミ配線６６ａ、６６ｂにマイナスの電圧を印加すれば、電極４２ａ、５８ａの間と、電極４２ｂ、５８ｂの間に静電引力が作用し、図２（ｂ）の位置関係となる。アルミ配線６６ｃと、アルミ配線６６ａ、６６ｂの間に電圧をかけなければ、電極４２ａ、５８ａの間と、電極４２ｂ、５８ｂの間に静電引力が作用せず、図２（ａ）の位置関係となる。
図２では図示の明瞭化のために、梁９０ａ，９０ｂが大きく変形するように図示されているが、実際の変位量は極めて小さい。繰り返し使用しても、梁９０ａ，９０ｂに疲労が蓄積することがなく、高い耐久性が得られる。
【００２９】
図２４は、第１物体１０と第２物体２０の拡大図を示している。第１物体１０は、窒化シリコンの第１ブロック５０と窒化シリコンの第１層５２で形成されている。全体が窒化シリコンで形成されている。それに対して、第２物体２０は、窒化シリコンの第２層５６と酸化シリコンの第２ブロック７６で形成されている。第２物体１０は、窒化シリコンと酸化シリコンで形成されている。窒化シリコンと酸化シリコンの界面に対する光ビームＢ４の入射角θが、sin θ＜0.7（酸化シリコンの屈折率1.4/窒化シリコンの屈折率2.0）であれば、すなわち、入射角θが４６°以下であれば、窒化シリコン内を進行する光ビームＢ４が窒化シリコンと酸化シリコンの界面で全反射されず、酸化シリコンを通過して酸化シリコンから射出される。第２物体２０を複数種類の材料で形成してもよい。同様に、第１物体１０を複数種類の材料で形成してもよい。
【００３０】
光学素子２は、単独で用いることもできるが、複数個の光学素子２を１次元又は２次元に配列することによって、像に現れる画像を制御する光学装置を構成することができる。図２７は、光学素子２を２次元に配置した光学装置４の一部を例示している。この実施例の場合、第２物体が半球形状をしている。第２物体が半球形状をしていれば、第２物体の中心から第２物体内に進行した光ビームは必ず第２物体から射出される。
図２７の場合、画像を構成するピクセルと単位となる光学素子が１対１に対応している。このため、個々の光学素子のアクチュエータ（電極４２と５８と可動梁９０）が、隣接する光学素子のアクチュエータから独立に制御できるように配線されている。
ただし、２個の光学素子で１ピクセルを構成してもよいし、３個以上の光学素子で１ピクセルを構成してもよい。ピクセルを構成する光学素子が複数個であれば、その複数個の光学素子の間では独立に制御する必要はない。この場合、複数個の光学素子の間では一斉に制御すればよい。単位となる複数個の光学素子群のためのアクチュエータ群が、隣接する単位となる複数個の光学素子群のためのアクチュエータ群から独立に制御できれば、ピクセル単位で制御することができる。
図２７の場合、３列３行に配列されている９個の光学素子のうち、ａ１，ｂ２，ｃ２に示す３個の光学素子では第１物体と第２物体が密着して第２物体から光ビームＢ５が射出し、それ以外の光学素子では第１物体で光ビームを全反射している状態を例示している。ａ１，ｂ２，ｃ２から射出している光ビームを結像レンズに入射して投影すると、光ビームを射出している光学素子ａ１，ｂ２，ｃ２の配置位置に対応する映像が表示される。
図３以降で説明したように、本実施例の光学素子は、半導体製造技術で製造できる。ウエハを用いることによって、多数個の光学素子を一度に製造することができる。多数個の光学素子が２次元に配列されている光学装置を簡単に製造することができる。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施例の光学素子の動作原理を模式的に示す。
【図２】第１実施例の光学素子の斜視図を示す。
【図３】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図４】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図５】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図６】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図７】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図８】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図９】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１０】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１１】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１２】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１３】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１４】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１５】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１６】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１７】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１８】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図１９】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図２０】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図２１】第１実施例の光学素子の製造プロセスを段階的に示す。
【図２２】第１実施例の光学素子の平面図を示す。
【図２３】第１実施例の光学素子の断面図を示す。
【図２４】第１実施例の光学素子の拡大断面図を示す。
【図２５】第１物体と第２物体の種類と、全反射する入射角の範囲と、全反射しない入射角の範囲を対比して示す。
【図２６】第２実施例の光学素子の断面図を示す。
【図２７】実施例の光学装置の一部斜視図を示す。
【符号の説明】
【００３３】
２：光学素子
１０：第１物体
１１：入射面
１４：射出面
２０：第２物体
２１：入射面
２４：射出面
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４、Ｂ５：光ビーム
【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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