(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に配置された少なくとも１つの駆動用のアクチュエータと、このアクチュエータにより駆動される光学素子とを有し、
入射した光を伝達する全反射面を備えた光ガイドの前記全反射面に対し、前記アクチュエータにより前記光学素子がエバネセント光を抽出する位置および抽出しない位置に駆動される光スイッチングデバイスであって、
前記光ガイドのうち、外部の光源から光を入射可能な面と前記全反射面に対し平行な出射面とを備えた本体に対し前記基板の方向に突き出た形状を構成し、前記光学素子に面した前記全反射面を備え、前記基板より小さい接続体と、
前記アクチュエータおよび光学素子を取り囲むように配置された側壁と、
前記基板と、
により減圧封止されている光スイッチングデバイス。
【請求項２】
請求項１において、前記接続体の側面および光学素子に面した側の前記側壁と接続する領域に反射膜が形成されており、
前記側壁の前記反射膜と接する面には低融点金属膜が形成されており、
前記側壁の高さは、前記アクチュエータにより前記光学素子を前記全反射面に圧迫するための変位を確保するように、前記反射膜の膜圧を考慮して設定されている光スイッチングデバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかにおいて、前記基板のうち前記側壁の外側に前記アクチュエータに駆動信号を供給するための電極が配置されている光スイッチングデバイス。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記アクチュエータおよび光学素子がアレイ状に配置されている光スイッチングデバイス。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の光スイッチングデバイスと、前記光ガイドとで構成される光スイッチングユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の光スイッチングユニットと、この光スイッチングユニットの本体に対し表示用の光を入出力する手段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、データプロジェクタ、ビデオプロジェクタなどの映像投映装置あるいは画像表示装置に適した画像表示デバイスなどに用いられる光スイッチングデバイスおよびそれを用いた画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタなどの画像表示装置のライトバルブとして光をオンオフ制御できる画像表示デバイスとしては、液晶を用いたものが知られている。しかしながら、この液晶を用いた画像表示デバイスは、高速応答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか動作しない。このため、高速応答を要求されるような高解像度の画像を表示する装置、さらには、光通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記録装置、光プリンターは、液晶を用いたスイッチングデバイスで実現するのは難しい。
【０００３】
そこで、上記のような用途に対応できる高速動作可能なスイッチングデバイスあるいは画像表示デバイスが求められており、ミクロンオーダあるいはさらに小さなサブミクロンオーダの微細構造（マイクロストラクチャ）を備えたスイッチングデバイスの開発が鋭意進められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
その１つは、本願出願人が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部（光ガイド）の全反射面に対し光学素子の抽出面を接触させてエバネセント光を抽出し、光学素子の１波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な光スイッチングデバイスである。
【０００５】
図１に、エバネセント光によるスイッチングを行う画像表示デバイス（光スイッチングデバイス）を用いた画像表示装置の一例としてプロジェクタ８０の概略を示してある。このプロジェクタ８０は、白色光源８１と、この白色光源８１からの光を３原色に分解して画像表示ユニット（光スイッチングユニット）５５の導光板（光ガイド）１に入射させる回転色フィルタ８２と、各色の光を変調して出射する画像表示ユニット５５と、出射された光８５を投映する投写用レンズ８６とを備えている。そして、各色毎の変調された光８５がスクリーン８９に投写され、時間的に混色されることにより多諧調のマルチカラーの画像が出力される。プロジェクタ８０は、さらに、画像表示ユニット５５および回転色フィルタ８２を制御してカラー画像を表示する制御回路８４を備えている。画像表示ユニット５５は、光ガイド１と以下に詳述する画像表示デバイス（光スイッチングデバイス）５０とにより構成されており、この制御回路８４からカラー画像を表示するためのデータφなどは画像表示デバイス５０に供給される。
【０００６】
画像表示ユニット５５は、光を受光あるいは入射する面１ｂを備えた台形プリズム状の光ガイド１を備えており、図１に示したプロジェクタ８０においては、その光ガイド１の入射面１ｂに対し投影用の光を供給する光源８１および光ガイド１から出射された光を投写するレンズ８５などを備えた光を入出力する手段と、光ガイド１に供給された投映用の光を全反射面１ａで変調する画像表示デバイス５０とを備えている。そして、この画像表示デバイス５０により光ガイド１から漏出するエバネセント光を制御して画像が表示される。
【０００７】
図２に、エバンセント波（エバネセント光）を利用して光を変調する画像表示デバイス（エバネセント光スイッチングデバイス）５０の概要を示してある。画像表示デバイス５０は複数の光スイッチング素子（光スイッチング機構）１０が２次元に配列されたスイッチングデバイスであり、個々の光スイッチング素子１０は、入射した光２を全反射して伝達可能な導光板（光ガイド）１に接近および離反して光を変調可能な光学素子（スイッチング部）３と、この光学素子部３を駆動するアクチュエータ６とを備えている。そして、光学素子３の層およびアクチュエータ６の層がアクチュエータ６を駆動する駆動回路およびデジタル記憶回路（記憶ユニット）が作りこまれた半導体基板２０の上に積層され、１つの画像表示デバイスとして集積化されている。
【０００８】
図２を参照してエバネセント光を利用した本例の画像表示デバイス５０についてさらに詳しく説明しておく。個々の光スイッチング素子１０をベースに説明すると、図２の左側に示した光スイッチング素子１０ａはオン状態であり、右側に示した光スイッチング素子１０ｂがオフ状態である。光学素子３は、光ガイド１の全反射面１ａに密着する面（接触面または抽出面）３ａと、この面３ａが全反射面１ａに密着したときに漏れ出たエバネセント波を抽出して内部で導光板１に対しほほ垂直な方向に反射するＶ字型の反射プリズム（マイクロプリズム）４と、このＶ字型のプリズム４を支持するサポート構造５とを備えている。
【０００９】
図２に示したアクチュエータ６は、光学素子３を静電駆動するタイプであり、そのために、光学素子３のサポート構造５と機械的に連結されて光学素子３と共に動く上電極７と、この上電極７と対峙した位置で半導体基板２０に固定された下電極８とを備えている。さらに、上電極７はアンカープレート９から上方に伸びた支柱１１により支持されており、上電極７はアンカープレート９を介して半導体基板２０の最上面２０aに機械的に取付けられている。したがって、上電極７と下電極８に異なる電圧を供給すると上電極７が下方に動き、これに連動して光学素子３が光ガイド１から離れる（第２の位置）。一方、上電極７は弾性部材としての機能を部分的に備えており、上電極７および下電極８に供給されていた電圧が除去されると上電極７が離れ、上電極７の弾性により光学素子３が光ガイド１の全反射面１ａに密着する（第１の位置）。
【００１０】
図１に示したように、光ガイド１は台形状になっており入射面１ｂに対し垂直に入射された照明光（入射光）２が全反射面１ａで全反射する角度で伝達される。したがって、光ガイド１の内部では全ての界面、すなわち、光学素子３に面した側１ａと、上方の面（出射面）において光が繰り返し全反射し、導光板１の内部が光線で満たされる。この状態で巨視的には照明光２は導光板１の内部に閉じ込められ、その中を損失なく伝播している。一方、微視的には、導光板１の全反射している面１ａの付近では、導光板１から光の波長程度のごく僅かな距離だけ、入射光２が一度漏出し、進路を変えて再び導光板１の内部に戻るという現象が起きている。このように面１ａから漏出した光を一般にエバネセント波と呼ぶ。このエバネセント波は、全反射面１ａに光の波長程度またはそれ以下の距離で光学素子を接近させることにより取り出すことができる。本例の光スイッチング素子１０は、この現象を利用して導光板１を伝達する光を高速で変調、すなわち、スイッチング（オンオフ）することを目的としてデザインされている。
【００１１】
図２の光スイッチング素子１０ａでは、光学素子３が導光板１の全反射面１ａに圧迫され、抽出面３ａが全反射面１ａに接近または密着した状態となるので、光学素子３にエバネセント波を抽出することができる。このため、光学素子３のマイクロプリズム４で光２は角度が変えられて出射光２ａとなり、図１に示すプロジェクタ８０の投映用の光８５として利用される。
【００１２】
一方、光スイッチング素子１０ｂでは、電極７および８に静電力が作用するので光学素子３が全反射面１ａから離れた第２の位置に動かされる。したがって、光学素子３によってエバネセント波は抽出されず、光２は全反射面１ａによって反射され光ガイド１の内部から出ない。
【００１３】
エバネセント波を用いた光スイッチング素子は単独でも光をスイッチングできる装置として機能するが、図２に示したように、これらを１次元あるいは２次元方向、さらには３次元に並べて配置することができる構成になっている。特に、２次元にマトリクスあるいはアレイ状に並べて配置することにより、液晶あるいはＤＭＤと同様に平面的な画像を表示可能な画像表示デバイス５０および画像表示ユニット５５を提供することができる。そして、エバネセント光を用いた画像表示デバイス５０では、スイッチング部である光学素子３の移動距離がサブミクロンオーダとなるので、液晶より１桁あるいはそれ以上応答速度の速い光変調装置として利用でき、これを用いた高速動作が可能なプロジェクタ８０あるいは直視型の画像表示装置を提供することが可能となる。さらに、エバネセント光を用いた光スイッチング素子１０は、サブミクロンオーダの動きで光をほぼ１００パーセントオンオフすることが可能であり、非常にコントラストの高い画像を表現することができる。このため、時間的な分解能を高くすることが容易であり、高コントラストの画像表示装置を提供できる。
【００１４】
さらに、この光スイッチングデバイス５０では、駆動回路などが作りこまれた半導体集積基板２０にアレイ状に配置されたアクチュエータ６および光学素子３が積層された構成の画像表示デバイス５０を１チップで提供することが可能である。すなわち、半導体基板２０の上にアクチュエータ６および光学素子３といったマイクロストラクチャが構築されたマイクロマシンあるいは集積化デバイスである画像表示デバイス５０と光ガイド１とを組み立てることにより画像表示ユニット５５を供給でき、これを組み込むことにより動作速度が速く高解像で、さらに、高コントラストの画像を表示できるプロジェクタを提供できる。
【００１５】
エバネセント光を用いたスイッチングデバイスを構成するためのアクチュエータ６は、図２の上下１対の電極を備えたものに限定されず、図３に示すように、上電極７および下電極８に加え、これらの間で動く中間電極（可動電極）５１を設け、この中間電極５１に連動して光学素子３が駆動されるようにすることも可能である。この画像表示デバイス５０は、アクチュエータ６の構成が複雑になるが低電圧で駆動できるというメリットを備えている。さらに、電極対を使用した静電アクチュエータの代わりに、ピエゾ素子などの他の電気信号により駆動力を供給可能な機構を用いてアクチュエータを構成することも可能でありアクチュエータとしてはいくつかのものが考えられている。したがって、以下、本明細書では、簡単のため上下電極の静電駆動タイプのアクチュエータに基づき説明するが、アクチュエータの構成はこれに限定されるものではない。
【００１６】
このように、エバネセント光を用いた光スイッチングデバイスは高速駆動が可能であり、さらに、半導体基板上にマイクロアクチュエータおよびマイクロ光学素子をアレイ状に配置した構成となる。したがって、非常にコンパクトで高分解能および高コントラストの画像表示用のデバイスあるいはユニットとして提供できる。しかしながら、入射した光を全反射面に対し適当な角度でロスが少ない状態で導く必要があり、それらの要求に基づき光ガイドの形状およびサイズが決められる。したがって、半導体チップとなる画像表示デバイス５０に対し、光ガイド１が大きなものになる。たとえば、スイッチングデバイス５０が接する全反射面１ａで複数回反射させると、光学素子で抽出された光が後方の光スイッチング素子に届かない。したがって、スイッチングデバイス５０が接する全面積に対し入射光が直に、あるいは全反射面１ａでは反射しない状態で光が入射されるように入射面１ｂを設定する必要がある。このため、光ガイド１としてはスイッチングデバイス５０となる半導体チップに対し十分な厚みのある台形プリズムなどの多面体のプリズムが適している。また、光源８１から光を受け、さらに、投写用レンズ８６に投写用の光を出射する光学系を形成する部材としては、組み立ておよび調整がしやすい適当な大きさのプリズムが望ましい。
【００１７】
したがって、画像表示デバイス５０に対し光ガイド１は比較的大きなものになり、これらを組み合わせる際にいくつかの解決すべき問題が生ずる。まず、エバネセント光を用いた画像表示ユニットにおいては、スイッチング部となる光学素子３を光ガイド１の全反射面１ａに密着させる必要がある。その一方で、光ガイドに密着するように画像表示デバイスを組み立てると、画像表示デバイスに用意される接続用の電極に配線するスペースが確保できない。すなわち、光スイッチング素子がアレイ状に配列された画像表示デバイスにおいては、各々のアクチュエータを駆動するために行ドライバあるいは列ドライバが内蔵されるが、それらのドライバに対し画像を表示するための複数の信号を供給する必要があるが、そのためにボンディングするスペースを確保できない。
【００１８】
また、画像表示デバイスは、半導体基板上にアクチュエータおよび光学素子が積層された状態であり、光学素子などを保護するためにはチップ化された後に早期に光ガイドを積層することが望ましい。しかしながら、チップを大きなプリズムの所定の場所にすぐに実装することは難しく、できたとしても保管あるいは流通上の問題がある。さらに、アクチュエータあるいはスイッチング素子である光学素子のスペースは減圧することが望ましいが、そのためには画像表示デバイスであるチップに対し大型のプリズムを接着しないといけないというのは取り扱いが不便である。
【００１９】
そこで、本発明においては、マイクロアクチュエータおよびマイクロ光学素子が基板上に積層された、エバネセント光を使用するスイッチングデバイスにおいて、これらの実装上の問題を解決することができるスイッチングデバイスおよびそれを用いた画像表示ユニットおよび画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、基板上にマイクロアクチュエータおよびマイクロ光学素子が積層されたデバイス上に、大型のプリズムを直に実装するのではなく、接続用のプリズムを挟むことにより、上記の実装上の問題を解決するようにしている。すなわち、本発明のエバネセント光を使用した光スイッチングユニットは、基板と、この基板上に配置された少なくとも１つの駆動用のアクチュエータと、このアクチュエータにより駆動される光学素子と、入射した光を伝達する全反射面を備えた光ガイドとを有し、この全反射面に対し、アクチュエータにより光学素子がエバネセント光を抽出する位置および抽出しない位置に駆動される光スイッチングユニットであって、さらに、光ガイドのうち、外部の光源から光を入射可能な面を備えた本体に対し基板の方向に突き出た形状を構成し、光学素子に面した全反射面を備えた接続体を有することを特徴としている。
【００２１】
光ガイドに、本体に加え、この本体から突き出た形状となる接続体を設けることにより、本体と基板との間にワイヤボンディングなどに用いる実装用のスペースを確保することが可能となる。さらに、接続体を後で本体と接合する構成とすることにより、接合体までが基板、アクチュエータおよび光学素子に組み合わされた状態の光スイッチングデバイスを提供することが可能となる。すなわち、本発明においては、基板と、この基板上に配置された少なくとも１つの駆動用のアクチュエータと、このアクチュエータにより駆動される光学素子とを有し、入射した光を伝達する全反射面を備えた光ガイドの全反射面に対し、アクチュエータにより前記光学素子がエバネセント光を抽出する位置および抽出しない位置に駆動される光スイッチングデバイスであって、光ガイドのうち、外部の光源から光を入射可能な面を備えた本体に対し前記基板の方向に突き出た形状を構成し、光学素子に面した全反射面を備えた接続体を有する光スイッチングデバイスを提供することができる。接続体は、入射面を設ける必要がないので光ガイドの本体と比較し薄くコンパクトにすることが可能である。したがって、基板、アクチュエータおよび光学素子に接続体を組み合わせた状態の光スイッチングデバイスはコンパクトで薄いものなり、さらに、接続体を組み合わせた状態になればアクチュエータおよび光学素子が接続体により保護されるので製品としてハンドリングしやすくなる。
【００２２】
また、接続体および基板に加え、アクチュエータおよび光学素子を囲む側壁を設けることによりアクチュエータおよび光学素子の配置された空間を封止することが可能となり、本体を含まないデバイスの状態で減圧処理ができる。また、デバイスの状態で出荷したり、本体は装置に固定した状態でデバイスだけ交換することも可能となるなど、取り扱いがフレキシブルになる。
【００２３】
このような本体から突き出た形状の接続体を設けると、接続体の側面が全反射面にならないので、この面から入射光が漏れ出して光の利用効率が減少する。また、漏れ出した光が迷光となりコントラストを低下する原因となる。したがって、接続体の側面に反射膜を形成しておくことが望ましい。また、アクチュエータおよび光学素子を取り囲むように封止用の側壁を設けた場合、接続体の光学素子に面した側のうち、側壁と接続する領域も全反射面とならないので光が漏れ出す。したがって、この領域にも反射膜を形成することにより光の利用効率が向上し、迷光となることを防止できる。
【００２４】
この側壁の高さは、基板と全反射面との空間がアクチュエータにより光学素子を全反射面に圧迫するための変位を確保するよう決められる。このため、反射膜を形成した場合は、その膜厚を考慮して側壁の厚みを設定する必要がある。
【００２５】
また、側壁の反射膜と接する面に低融点金属膜を形成しておくと、ガラスなどに比べ硬度が低い反射膜と金属膜とが融合あるいは接触するので気密が確保しやすくなる。したがって、基板、側壁および接続体により構成された空間が減圧封止されている光スイッチングデバイスおよび光スイッチングユニットを容易に提供することができる。
【００２６】
さらに、接続体を設けることによりボンディングスペースが確保されるので、基板の裏側などに接続用の電極を配置する必要がなくなり、側壁の外側にアクチュエータに駆動信号を供給するための電極を配置することができる。したがって、基板の配線を簡素化することができ、低コストの光スイッチングデバイスあるいはユニットを提供できる。
【００２７】
さらに、アクチュエータおよび光学素子の組み合わせによる光スイッチング素子が単独で配置されたデバイスあるいはユニットにおいても本発明を適用することができるが、アクチュエータおよび光学素子がアレイ状に配置されている光スイッチングデバイスあるいはユニットにも本発明を適用することができる。そして、これらの光スイッチング素子がアレイ状に配置されたデバイスあるいはユニットは画像表示デバイス、光コンピュータ用のデバイス、光プリンタ用のデバイスなどとして用いることができる実装の容易な光スイッチングデバイスあるいは光スイッチングユニットを提供できる。したがって、光スイッチングユニットと、この光スイッチングユニットの本体に対し表示用の光を入出力する手段を有する画像表示装置を提供できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をさらに説明する。図４に、本発明に係るエバンセント波（エバネセント光）を利用して光を変調する画像表示ユニット（エバネセント光スイッチングユニット）５５の概要を示してある。このスイッチングユニット５５は、先に図２および図３に基づき説明した光スイッチングユニット５５とほぼ同様の構成でエバネセント光を抽出可能なアクチュエータ６および光学素子３の組み合わせからなる光スイッチング素子１０が２次元に配列されており、アクチュエータ６、スイッチング部である光学素子３および光スイッチング素子１０の詳しい説明は省略する。
【００２９】
本例の光スイッチングユニット５５は、入射光２を伝達するための光ガイド１がほぼ台形の本体６０と、この本体６０から基板２０の方向に延びた、あるいは突き出た接続体６１から構成されている。本体（以降においては台形プリズム）６０を入射光２が入射される面１ｂと、接続体６１が接続される面１ｃと、この面１ｃと平行な出射面１ｄとを備えている。また、入射面１ｂと対峙する面１ｅには反射膜６２が形成されており、この面１ｅから入射光２が外部に漏れでないようになっている。また、接続体６１と接触する面１ｃおよび出射面１ｄは、入射光２に対しては全反射面となっており、これらの面からも入射光２がでることはなく、入射光２はすべて接続体６１に導かれる。
【００３０】
接続体６１は、台形プリズム６０と屈折率が同じ光学材料からなるほぼ板状のプリズムであり、上面６１ａが台形プリズム６０との接触面となり、上面６１ａと平行な下面６１ｂが入射光２を全反射して伝達する全反射面１ａとなっている。この全反射面１ａに面して光スイッチング素子１０を構成する光学素子３がアレイ状に配列されており、アクチュエータ６により駆動される。したがって、全反射面１ａから光学素子３に抽出されたエバネセント光は、光学素子３により反射されて出射光２ａとなり、接続体６１および台形プリズム６０を介して台形プリズム６０の出射面１ｄから外部に放出される。
【００３１】
このように、本例の光スイッチングユニット５５においては、光ガイド１が台形プリズム６０と接続体６１により構成されているので、接続体６１を台形プリズム６０から分離して基板２０と共に光学素子３およびアクチュエータ６が配列された空間をはさみこむようなデバイスとして提供することができる。図５に、その状態の光スイッチングデバイス５０を示してある。この光スイッチングデバイス５０においては、半導体基板２０の上に構築されたアクチュエータ６および光学素子３からなるマイクロ構造体が、接続体６１により封止された状態、すなわち、接続体６１が封止用のプリズムとなっており、安定している。したがって、この状態で保存あるいは流通することができる。さらに、基板２０および接続体（以降においては封止プリズム）６１を適当なモールド樹脂などによってパッケージングすることが可能であり、さらに安定した状態で保存および流通することができる。
【００３２】
本例の光スイッチングユニット５５およびデバイス５０においては、さらに、半導体基板２０が封止プリズム６１の外側に広がっており、封止プリズム６１の外側に位置する半導体基板の表面２０ａの領域にボンディング用のパッド７１が配置されている。本例の光スイッチングユニット５５においては、封止プリズム６１により台形プリズム６０と半導体基板２０との間に、封止プリズム６１の厚みに相当する適当なスペースを確保することができる。したがって、ボンディングパッド７１の上方に配線用の空間が設定され、簡単にボンディングワイヤ７２を接続し、外部の基板などに配線することができる。
【００３３】
したがって、封止プリズム６１の厚みは、配線用のスペースを確保できる程度に設定することが望ましい。しかしながら、封止プリズム６１に厚みがあると、図４に破線９１で示したように、封止プリズム６１の側面６１ｃから入射光２が漏れ出す。そこで、本例の光スイッチングデバイス５０においては、封止プリズム６１の側面６１ｃに反射膜６３を形成し、光が漏れ出すのを防止している。本例の封止プリズム６１は、全反射面１ａに対し側面６１ｃが垂直方向に延びた角柱あるいは円柱になっている。このため、側面の反射膜６３で反射された光は、全反射面１ａに対する角度が変わることはなく、全反射面１ａに面して配置された光学素子３あるいは光スイッチング素子１０により変調可能な光となる。
【００３４】
さらに、本例の光スイッチングデバイス（画像表示デバイス）５０においては、図６に拡大して示すように光学素子３およびアクチュエータ６が配列された領域を囲うように側壁７５が形成されている。このため、アクチュエータ６および光学素子３が配列された空間２９は、側壁７５と、基板２０と、封止プリズム６１により遮蔽あるいは封止されて状態となる。したがって、側壁７５の一部に孔を開けて空間２９の内部を減圧することが可能であり、その状態で密閉するとアクチュエータ６および光学素子３が動く空間２９を減圧した状態に保持できる。減圧すると光学素子３が駆動されるときの空気抵抗を抑制できるので、動作速度がさらに速くなり、それともにアクチュエータ６の負荷が小さくなるので消費電力も低減できる。
【００３５】
また、減圧する処理を考えた場合、本例の光スイッチングユニット５５においては、基板２０を封止プリズム６１で覆い、光ガイド１の本体６０とは分離できる形態となっている。したがって、減圧するときに真空チャンバーなどに入れるのも容易であり、ハンドリングしやすい。そして、封止プリズム６１により気密性が保持されるので、そのままの状態で保管および流通することができる。
【００３６】
このような側壁７５を設けた場合、封止プリズム６１の全反射面１ａと側壁７５とが接続する領域は全反射する面にならず、図４に破線９２あるいは９３で示すように、光が漏れ出したり、乱反射する。したがって、側壁７５を取り付けた領域が乱反射した光あるいは迷光によって薄明るくなり、本例の光スイッチングユニット５５で画像を表示したときにコントラストが低下する要因となる。
【００３７】
このため、本例の光スイッチングデバイス５０においては、図６に拡大して示すように、全反射面１ａのうち、側壁７５と接触する周囲の領域６１ｄに、側面６１ｃと同様に反射膜６４を形成してある。したがって、側壁７５から漏れ出したり、乱反射したりする光がなくなるので、光の利用効率を高くでき、同時にコントラストの高い画像を表示できる。これらの反射膜６３および６４は、アルミニウムなどの金属を蒸着あるいはスパッタリングして成形することができる。また、屈折力の異なる薄膜を複数枚重ねて成膜することにより、適当な反射率の膜をつくることも可能である。
【００３８】
側壁７５で基板２０と封止プリズム６１との間の空間２９を密閉する場合、側壁７５の上下の境界のシールが問題になる。側壁７５は、半導体基板２０の表面２０ａに、光学素子３と同様に、あるいは同時に、樹脂を型成形することにより構成できる。したがって、基板２０との境界領域の密閉度は非常に高い。これに対し、封止プリズム６１と接触する面は、反射膜６４との接合されるので、密閉度を上げることが難しい。このため、本例においては、さらに、側壁７５の上面に金合金、半田めっきなど低融点金属あるいは軟金属膜７６を成膜し、封止プリズム６１を積層した後に、電圧、熱あるいは超音波によって反射膜６４と金属層７６が融合あるいは密着するようにしている。したがって、本例の光スイッチングデバイス５０は、光学素子３およびアクチュエータ６が動く領域あるいは空間２９を容易に密閉でき、シール性も十分に高くできる。このため、内部を減圧した状態で保持することができ、長期間にわたり安定した駆動性能を発揮する光スイッチングデバイス（画像表示デバイス）５０および光スイッチングユニット５５を提供できる。
【００３９】
さらに、側壁７５は、図６に示すように半導体基板２０の表面２０ａと封止プリズム６１の全反射面１ａとの距離ｈを規定する機能も備えている。この距離ｈは、全反射面１ａから漏れ出すエバネセント光を抽出しない位置へアクチュエータ６により光学素子３が移動できる距離である。それと共に、アクチュエータ６により光学素子３が全反射面１ａに密着させることができる距離である必要がある。光学素子３の抽出面３ａを全反射面１ａに安定した状態で密着させるには、抽出面３ａが全反射面１ａを加圧するように光学素子３を駆動することが望ましい。本例の静電型のアクチュエータ６においては、可動電極である上電極７を弾性体としてみたときにその弾性力が光学素子３などの重量に対し平衡となる距離に対し基板の表面２０ａと全反射面１ａとの距離ｈを小さくすることにより所定の変位を保持している。したがって、上電極７の弾性力に光学素子３が全反射面１ａに圧迫され、密着性が良く、エバネセント光の抽出効率も高くなっている。このため、全反射面１ａに反射膜６４を設け、さらに、側壁７５に金属膜７６を設ける場合は、これらの膜厚を考慮し、側壁７５の高さを上電極７の変位が保持できるような高さに設計する必要があり、本例の光スイッチングデバイス５０もそのように設計されている。
【００４０】
以上に説明したように、本例の光スイッチングデバイス５０は、基板２０、アクチュエータ６の層、スイッチング部となる光学素子３の層に加え、光ガイド１の本体６０に対し接続体となる封止プリズム６１が積層されている。したがって、基板２０の上に構成されたアクチュエータ６および光学素子３のマイクロマシンの層が封止プリズム６１でカバーされた状態となるので、この状態で保管あるいは流通することができる。また、半導体基板２０に容易された接続電極にワイヤーボンディングすることも可能であり、実装し易い。
【００４１】
特に、アクチュエータ６および光学素子３の外側を側壁７５で囲うことにより、アクチュエータ６および光学素子３の動く空拳２９を減圧封止することが可能となり、光スイッチングデバイス５０の性能を向上できる。また、封止プリズム６１を接続した状態で減圧密閉し、その状態で出荷および流通できるので、製品の性能が安定し光スイッチングデバイスの歩留まりを向上でき、コストを下げることができる。さらに、側壁７５の外側の領域に接続用のボンディングパット７１を配置して配線できるので、配線するときにアクチュエータあるいは光学素子に影響を与えることを未然に防止できる。したがって、本発明に係る光スイッチングデバイスおよび光スイッチグユニットを用いて、図１に基づき説明したような画像表示装置を構成すると、実装が容易なのでコストをさらに低減することができ、また、光の利用効率が高くコントラストも高くできるので画質のよい画像表示装置を提供できる。また、メンテナンスにおいても、装置内部の光学系を構成する台形プリズム６０はそのままにしておき、画像表示デバイスとなる光スイッチングデバイス５５だけを交換可能なシステムとすることも可能となる。
【００４２】
封止プリズム６１を光ガイド１の本体６０から分離して後で接続できるようにする代わりに、光ガイド１を接続体６１の部分が延びたものにして光学素子３の層に積層しても良く、この形態でもボンディングするのに十分なスペースを確保することができる。しかしながら、入射面を備えた台形プリズムが一体となった状態で保管および流通されることになり、また、減圧するときは、台形プリズムも含めて減圧チェンバに入れる必要がある。したがって、流通あるいは保管する単位が大きくなる、取り扱いは、上記の、封止プリズム６１を備えたデバイスと比較すると難しくなる。
【００４３】
なお、上記の例では、光ガイド１の本体６０として台形プリズムを用いた例を説明しているが、入射光の方向との関係で台形プリズムに限定されることはない。全反射面１ａに対し、入射光を全反射可能な角度で導くことができれば良く、たとえば、半導体基板と同じ側から光が入射できるように平行四辺形のプリズムを光ガイドの本体として採用することも可能である。
【００４４】
また、接続体を構成する封止プリズムとして平板状の光学部材を採用しているが、上面を三角プリズム状などにして光ガイドの本体と多面体で組み合わされるものであってもよい。しかしながら、本例の封止プリズムであれば、平面同士の接続でよいのに対し、２つ以上の面で接合する必要があるので、さらに精度の高い光学部材が必要となる。その一方で、接合部の強度は上昇するので、光スイッチングユニットとしての強度も上げることができる。
【００４５】
さらに、本例ではスイッチング部として光学素子部を備えた光スイッチングデバイスを例に説明しているが、アクチュエータも、本例の電極対を採用し静電力を利用したものに限らず、ピエゾ素子あるいはその他の圧電素子などを用いて光学素子を駆動するタイプであっても良い。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の光スイッチングユニットは、光ガイドの全反射面から漏れ出すエバネセント光をスイッチングすることにより画像などを出力することができるユニットであり、入射光線を導く光ガイドの形状を、スイッチングデバイスの側に延びた接続体を備えた形状にすることにより、光スイッチングデバイスをボンディングし易いものにしている。さらに、接続体を光ガイドの本体と分離して製造し、後で接合するようにすると、組み立て、保管および流通に便利なコンパクトであり、アクチュエータおよび光学素子といったマイクロストラクチャがカバーによって保護されたデバイスを実現できる。
【００４７】
さらに、側壁を設けることにより、接続体と基板との間のアクチュエータおよび光学素子が配置された空間を密閉し減圧できる。そして、接続体の側面に反射膜を成膜したり、側壁と当たる面にも反射膜を成膜したりすることにより、接続体から光が漏れ出すのを防止できる。このため、製造、保管、実装および流通過程でハンドリングしやすい形態で、駆動性能が良く、さらにコントラストの高い画像を表示することができる画像表示あるいはその他の光スイッチングの分野で利用できる光スイッチングデバイス、光スイッチングユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エバネセント光を利用した画像表示デバイスを用いたプロジェクタの概要示す図である。
【図２】エバネセント光を利用した画像表示デバイス（光スイッチングデバイス）の概要を示す図である。
【図３】エバネセント光を利用した光スイッチングデバイスの異なる例を示す図である。
【図４】本発明に係る光スイッチングユニットの概要を示す図である。
【図５】図４の光スイッチングユニットに用いられる光スイッチングデバイスの概要を示す図である。
【図６】図５に示す光スイッチングデバイスの周辺の部分を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１    導光板（光ガイド）
２    照明（入射）光
２ａ  出射光
３    光学素子
４    マイクロプリズム
５    V型のサポート構造
６    アクチュエータ
７    上電極およびばね構造
８    下電極
９    アンカー
１０    光スイッチング素子
１１    ポスト（支柱）
２０    半導体基板
２９    アクチュエータおよび光学素子が配置された空間
５０    画像表示デバイス
５５    画像表示ユニット
６０    光ガイドの本体（台形プリズム）
６１    光ガイドの接続体（封止プリズム）
６２、６３、６４    反射膜
７１    ボンディングパット（接続用の電極）
７２    ボンディングワイヤ
７５    側壁
７６    シール用の金属膜
８０    プロジェクタ
【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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