(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、
前記導光部に対しスペーサを介して積層され、前記光抽出部を支持する薄膜と、
前記導光部に設置され、前記導光部の側と反対側の面が全反射面をなす第１の透明電極と、
前記薄膜の前記導光部の側に設置されるとともに前記第１の透明電極に対向する側の面が光抽出面をなす第２の透明電極を含んで構成され、前記第１の透明電極の全反射面に対しエバネセント光が漏出する抽出距離以下に前記第２の透明電極の抽出面を接近させる第１の位置、および前記抽出距離以上に前記第２の透明電極の抽出面を離間させる第２の位置に移動可能な光抽出部と、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに極性の異なる電位を印加することにより静電力を生じさせ、前記光抽出部を前記第２の位置から前記第１の位置に移動させる駆動部と、を有し、
前記第１の位置において、前記第１の透明電極および前記第２の透明電極を介して光が抽出されることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチング素子において、
前記光抽出部は、前記抽出面によって抽出される光を出射する出射体を備えていることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項３】
請求項２に記載の光スイッチング素子において、
前記出射体は、前記全反射面と角度の異なる出射面または反射面の少なくともいずれかを備えていることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項４】
請求項２に記載の光スイッチング素子において、
前記出射体は、出射方向に広がった円錐台または角錐台状の光学素子であることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項５】
請求項２に記載の光スイッチング素子において、
前記出射体は光散乱性を有することを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項６】
請求項２に記載の光スイッチング素子において、
前記出射体は前記抽出光によって発光することを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項７】
請求項１に記載の光スイッチング素子において、
前記光抽出部は波長選択性を有することを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項８】
請求項１に記載の光スイッチング素子において、
前記光抽出部は前記抽出面と反対方向に抽出される抽出光を導く透過型であり、前記導光部に対し光の出射する出射方向に配置されていることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項９】
請求項１に記載の光スイッチング素子において、
前記光抽出部は前記抽出面の方向に抽出される光を導く反射型であり、前記導光部に対し光を出射する出射方向と反対側に配置されていることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の光スイッチング素子において、
前記光抽出部は前記抽出面によって抽出される抽出光を散乱する散乱型、または、前記抽出光により発光する発光型であり、前記導光部に対し光を出射する出射方向と反対側に光吸収層が配置されていることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の光スイッチング素子において、
前記光抽出部によって抽出される抽出光の出射方向に配置された非可動性の光処理部を有することを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の光スイッチング素子において、
前記薄膜はスペーサに対して電界熱接合されていることを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の光スイッチング素子を複数有し、これらの光スイッチング素子が２次元的に配置され、前記導光部は光が伝達可能なように接続されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】
光源と、請求項１３に記載の画像表示装置と、前記画像表示装置で形成された画像を投影する投影レンズとを備えていることを特徴とする投射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光演算、光記憶装置、光プリンター、画像表示装置等に使用される光スイッチング素子（ライトバルブ）に関するものであり、特に画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光スイッチング素子は液晶を用いたものが知られている。図１６にその概略構成を示すように、従来の光スイッチング素子９００は、偏光板９０１および９０８、ガラス板９０２および９０３、透明電極９０４および９０５、液晶９０６および９０７より構成され、透明電極間に電圧を印加することにより液晶分子の方向を変えて偏光面を回転させ光スイッチングを行うものであった。そして、従来の画像表示装置は、このような光スイッチング素子（液晶セル）を二次元に並べた液晶パネルを用い、階調表現は印加電圧を調整することにより液晶分子の向く方向をコントロールするものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶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、光通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記憶装置、光プリンター等へ液晶を用いた光スイッチング素子を適用することは難しかった。また、液晶を用いた光スイッチング素子では、偏光板により光の利用効率が低下してしまうという問題もあった。
【０００４】
また、画像表示装置においては、近年、いっそう高品位な画像品質が要求されており、液晶を用いた光スイッチング素子よりさらに階調表現が正確な表示を行える光スイッチング素子が求められている。
【０００５】
そこで、本発明は、光のロスが少なく、高速応答が可能な光スイッチング素子を提供することを目的としている。また、製造が比較的簡単で歩留りも高く、低コストで高解像度のカラー表示も可能な画像表示装置を提供することを目的としている。さらに、照明のための光学系も薄型化でき、階調特性も正確な画像表示装置を提供することも目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、光を全反射している導光部に対し透光性の抽出面を接触させると光を抽出することができ、さらに、半波長、望ましくは１／４波長程度の距離まで抽出面を接近することによって漏出するエバネセント光を抽出できることに着目し、抽出面を備えた光抽出部の１波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって光を高速でオンオフ可能な光スイッチング素子を実現している。すなわち、本発明の光スイッチング素子は、光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、全反射面に対しエバネセント光が漏出する抽出距離以下に接近する第１の位置、および抽出距離以上に離れる第２の位置に移動可能な透光性の抽出面を備えた光抽出部とを有することを特徴としている。この光スイッチング素子は、エバネセント光も抽出できるので導光部の全反射面に必ず密着しなくても良く信頼性の高い光スイッチング素子である。そして、第１の位置から１波長程度離れた距離にある第２の位置に移動することによりオフ状態になるので、高速動作が可能な光スイッチング素子を提供できる。また、オフ状態では導光部からの光は全反射されて漏れ出てこないのでコントラストが大きな光スイッチング素子を提供することができる。
【０００７】
このような光スイッチング素子においては、抽出面で抽出した抽出光を出射体で適当に処理することにより光を外部に出力でき、オンオフ動作する光スイッチング素子を実現できる。例えば、出射体に全反射面と角度の異なる出射面または反射面の少なくともいずれかを設けておくことにより、光抽出部から抽出光を外部に出すことができる。このような出射体としては、マイクロプリズムまたはマイクロレンズを用いることができ、抽出面から抽出した光を効率よく外部に取り出すことができる。また、出射体として、出射方向に広がった円錐台または角錐台状の光学素子を用いることも可能である。このような光学素子を用いると、光を取り出す効率をさらに上げられると同時に取り出した光の方向を導光部の全反射面に対して垂直方向に近づけることができる。
【０００８】
また、出射体として光散乱性のものを用いることも可能であり、抽出光を出射体で散乱させて外部に出射させることができる。さらに、出射体として抽出光によって発光可能なもの、例えば、導光部に伝達される光として紫外線を用い、この紫外線が当たると発光する蛍光剤を含んだものなどを出射体として用いることができる。
【０００９】
さらに、光抽出部に波長選択性を持たせることにより、発色の異なる光スイッチング素子を提供することも可能である。このためには、抽出面あるいは出射体にカラーフィルタとしての機能を持たせても良く、散乱材あるいは発光剤に波長選択性のあるものを採用することが可能である。
【００１０】
また、光抽出部は抽出面と反対方向に抽出される抽出光を導く透過型で構成することが可能であり、このような透過型の光抽出部は導光部に対し光を出射する出射方向に配置することにより光スイッチング素子として機能する。一方、光抽出部は抽出面の方向に抽出される光を導く反射型で構成することも可能であり、このような反射型の光抽出部は導光部に対し光の出射方向と反対側に配置することにより光スイッチング素子として機能する。また、光抽出部は抽出面によって抽出される光により発光する発光型とすることも可能である。さらに、抽出光を散乱させたり、抽出光によって発光された光を出射する場合は、導光部に対し発光した光の出射方向と反対側に光吸収層を配置し外光を吸収することによりコントラストを高めることができる。
【００１１】
また、スイッチング動作を行う光抽出部に散乱あるいは波長選択性などの機能を備えた出射体を設ける代わりに、光抽出部によって抽出される抽出光の出射方向に非可動性の光処理部を設け、この光処理部に、出射される光の方向を整える波面変換機能、波長選択機能あるいは発光または散乱機能などを設けておくことも可能である。このような光処理部を設けることにより光抽出部の構成が簡易となり、動作荷重も低減されるので可動し易くなり、さらに高速のスイッチング動作を行わせることができる。
【００１２】
このような光スイッチング素子においては、光抽出部は導光部に対し適当な距離をおいて可動できるように個別に支持することも可能である。導光部に対しスペーサを介して積層された薄膜を用い、この薄膜により光抽出部を支持することにより、導光部に対して適当な距離を維持できると共にユニット化することが可能となる。透過型の光抽出部の場合は、出射方向にスペーサを介して積層された透過型の薄膜を用いて光抽出部を支持することができる。また、光抽出部が反射型の場合は、出射方向と反対側にスペーサを介して積層された反射型の薄膜を用いることにより、薄膜で抽出光を反射できる。また、反射性あるいは非透過性の薄膜を用いて外光を防いでコントラストを高めることができる。
【００１３】
このような薄膜で光抽出部が支持された光スイッチング素子においては、薄膜に支持された光抽出部を適当な駆動機構を用いて駆動することによりスイッチング素子として動作させることができる。そして、光スイッチング素子自体に薄膜に支持された光抽出部を直接あるいは間接的に駆動可能な駆動部を設けておくことにより、駆動機構まで一体となった光スイッチング素子を提供することができる。このような駆動機構としては、ピエゾ素子のような圧電変換機能を備えたものであっても良いが、駆動部として光抽出部を静電的に駆動するようにすれば静電力による吸着あるいは反発が利用でき、しかも薄膜技術を利用したマイクロマシンを構成することができる。このため、簡単な機構で薄く纏めることができ、生産性も向上する。従って、低価格で小型の光スイッチング素子を提供できる。例えば、全反射面に透明電極を設置することが可能であり、この電極と対峙する電極を薄膜側に設けて電位を与えることにより自由に光スイッチング素子を制御することができる。
【００１４】
このような薄膜に光抽出部が支持されて静電駆動される光スイッチング素子においては、抽出面によって抽出される抽出光を光学的に処理して出射する出射体に対し導光部の側に透明電極を配置しておくことが望ましい。これにより、全反射面に設けられた透明電極と薄膜側の透明電極との距離を短くできるので、小さな駆動電圧で光スイッチング素子を駆動することができる。さらに、薄膜がシリコン製などである場合は、ガラス製などのスペーサに対して電界熱接合することが可能である。電界熱接合を採用すると接着剤層などが不要なので、薄膜と全反射面の距離を一定になるように組み立てるのがさらに容易になる。また、薄膜と全反射面との距離を規定するスペーサは各々の光抽出部の四方を支持するように柱状とすることにより、スペーサの配置スペースを最小限にでき、抽出面の面積を広く確保することができる。
【００１５】
このような本発明に係る光スイッチング素子を複数個用い、これらを２次元的に配置し、さらに、導光部同士を光が伝達可能なように接続することにより２次元表示の可能な画像表示装置を実現することができる。この画像表示装置は、応答速度が速く、高速動作が可能であり、さらに、高コントラストの画像が得られる。さらに、スイッチング素子の高速特性を利用し、時分割で階調を表現できるため、高品位な画像が得られる。また、偏光フィルタなどによる光強度の減少はなく、導光部から直に光を抽出するようにしているので明るい画像表示装置を提供できる。
【００１６】
このような画像表示装置は、導光部に対しスペーサを介して積層された薄膜を用いて光抽出部を支持することにより、薄く、小型化することができる。また、２次元的に配置されたそれぞれの光スイッチング素子を静電駆動するために、走査電極およびこの走査電極と直交する副走査電極とを用いることが可能であり、これらを導光部および薄膜または光抽出部に配置することにより、２次元的に配置された光スイッチング素子の各々を駆動して画素表示を行うことができる。
【００１７】
さらに、光抽出部に波長選択性を持たせることによりカラー表示を行うことも可能となる。また、導光部に３原色を時分割して供給可能な光源部を用い、各々の光スイッチング素子を同期して制御してカラー表示することも可能である。このように、本発明に係る画像表示装置においては、カラーの高品位画像が得られると同時に装置を薄く構成できるという効果を有する。また、光源と、前述のいずれかの画像表示装置と、前記画像表示装置で形成された画像を投影する投影レンズを備えることにより、前述の画像表示装置の特徴を活かした投射装置を提供することもできる。
【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。
【００１９】
〔本発明に係る光スイッチング素子の幾つかの実施例〕
（実施例１）
本発明の光スイッチング素子の原理は、全反射により光を伝えているガラス板等の導光体に対向して設置した透明な、あるいは透光性の抽出面を備えた物体を、一波長、望ましくは半波長程度あるいはそれ以下のエバネセント光が漏出する抽出距離以下まで静電力や電歪効果を利用して近接あるいは接触させることによりエバネセント波を取り出すことができる第１の位置と、全反射条件を満たさないようにしてエバネセント波も出力されないよう第２の位置とに切り換えて光をスイッチングすることである。
【００２０】
図１に、本発明による光スイッチング素子の１例の概略構成を示してある。本例のスイッチング素子１は、ガラス製あるいは透明プラスチック製などの使用する光の透過率の高い導光体（導光部）である光ガイド２１を有している。この光ガイド２１は、入射光１０が全反射により伝達されるように、入射光１０の入射角に対して適当な角度となる表面２２および裏面２３が形成されている。表面２２には、適当な高さの凹凸２４がエッチングなどの技術によって形成されており、その溝部（グルーブ）２５に厚さ０．１ミクロン程度の透明電極３１が設置され、透明電極３１の面３２も入射光１０に対して全反射が行える面（全反射面）となっている。このような光ガイド２１の凹凸２４が形成された表面２２にＰＥＴフィルムなどの高分子、あるいは無機物の透明な薄膜４０が積層されており、凹凸２４の凸部（ランド）２６をスペーサとして薄膜４０と溝部２５との距離が一定に保持されている。
【００２１】
本例の光スイッチング素子１においては、薄膜４０と光ガイド２１を接合するために適当な温度を加えながら高電位を印加して接続する電界熱接合（陽極接合）の技術を用いている。このため、薄膜４０と光ガイド２１が接合するランド２６の先端部分２７に接着剤層などの余分な層を設けずに済むので、薄膜４０と溝２５との隙間を精度良く保持することができる。薄膜４０の溝側の面４１には透明電極３５が設けられており、これらの透明電極３５および３１に極性の異なる電位を印加すると静電力により引き合い、図１の右側の光スイッチング素子のように透明電極３５の溝側の面（抽出面）３６が、溝側に設けられた電極の表面（全反射面）３２に近接あるいは接触し、光ガイド２１から光が光抽出部５０に抽出される。すなわち、本例では透明電極３５が光抽出部５０の一部となり、その表面３６が抽出面となっている。これらの透明電極３５および３１は液晶表示体などでも用いられているような０．０２ミクロン程度の酸化シリコン製などの公知の絶縁層を備えており、以下ではその詳細な説明は省略する。
【００２２】
抽出面３６によって抽出された抽出光１１は、薄膜４０を透過して薄膜４０の反対側の面４２に設けられた出射用の光学素子（出射体）４３を通り、出射光１２として外側に出射される。従って、本例の光スイッチング素子１においては、透明電極３５および出射体４３が光抽出部５０の機能を果たしている。本例の出射体４３は、四角錐の先端を取り除いた形状（四角錐台状）の高分子あるいは無機物の透明なマイクロプリズム４４が用いられている。このマイクロプリズム４４は、光ガイド２１に近い側の底面積が遠い側より小さいように設置してある。このため、マイクロプリズム４４に導かれた抽出光１１は、全反射面とは角度の異なる側面４４ａに反射され、抽出光１１の方向を全反射面３２に対してほぼ垂直な、すなわち、光ガイド２１の表面から垂直方向に放射分布が整えられた出射光１２として図面上の上方に出射される。
【００２３】
全反射されている面に透明体を近接するとエバネセント波が透明体側に漏れ出て光が透過することが知られており、その透過率の一例を図２に示してある。エバネセント波の透過率は、媒体の屈折率や入射角度などによって相違するが、ほぼ同じような傾向を示し、半波長程度以下に透明体が近接するとエバンセント波を捉えることができる。さらに、全反射面３２を形成する透明電極３１と抽出面３６を形成する透明電極３５はほぼ同じ屈折率のため、接触すれば入射光は全反射面３２で全反射せずに導光部である光ガイド２１から抽出面３６を通って透明電極３５に抽出光１１として進行する。このようにして、全反射面３２から直に、あるいはエバネセント波を捉えて抽出光１１が得られるので、光学素子４３を経て出射光１２として取り出し出射することができる。
【００２４】
上述したように、全反射を行う導光部と抽出面が形成された透明体が接触せずに波長以下の距離に近接する場合に、導光部から外部の空気あるいは真空中に大略波長程度はいり込んでいるエバネセント波を透明体の側に取り出すことができることが知られている。このエバネセント波は、全反射現象を波動理論により検討したときに全反射する光が高屈折率の媒体から低屈折率の媒体中にわずかに浸透して存在する光であり、この光は通常ふたたび高屈折率の媒体へもどされ全反射となる。そこで、本発明の光スイッチング素子１においては、このような漏れ出ているエバネセント波も抽出できることにより、抽出面３６が必ずしも全反射面３２に密着しなくても光スイッチング素子として十分な機能を発揮させ、信頼性の高い光スイッチング素子を実現するようにしている。
【００２５】
一方、全反射面３２および抽出面３６が半波長程度あるいはそれ以上離れるとエバネセント波の透過率はほぼ０になり光は出射されない。従って、コントラストの良いスイッチング素子を実現することができる。本例の光スイッチング素子１においては、スペーサとなるランド２６の高さによって、全反射面である光ガイド２１の側の透明電極３１の表面３２と、抽出面である薄膜４０の側の透明電極３５の表面３６との距離が適当な値になるように設定されている。そして、双方の電極３１および３５に極性の異なる電圧を印加するとエバネセント波が漏れ出る程度まで接近し（第１の位置）、双方の電極３１および３５に電圧を印加しない、または同電位を印加すると電極の表面３２および３６がエバネセント波が漏れでない程度まで離れる（第２の位置）ようになっている。従って、ランド２６と薄膜４０の接続部分の厚みは精度良く管理する必要があり、この点で電界熱接合を用いると接着材層が不要となるので精度良く光ガイド２１と薄膜４０を接合できる。
【００２６】
このように、本例の光スイッチング素子１は、透明電極３１および３５に印加される電位の極性を制御することによって光ガイド２１の入射光１０を出射するオンオフ制御が可能である。そして、薄膜４０に支持された光抽出部５０の移動距離は波長あるいは半波長オーダで良いので、動作速度は非常に速く、１０-3〜１０-6秒あるいはそれ以下の速度で動作させることができる。さらに、光抽出部５０を波長程度動かすことにより、光ガイド２１に対しほぼ１００％透過率から０％の透過率まで切り換えることが可能であり、非常にコントラストの高い光スイッチング素子を実現することができる。従って、本例の光スイッチング素子１は高解像度の時分割制御が可能なスイッチング素子であり、多階調制御を非常に行い易いスイッチング素子である。
【００２７】
また、本例の光スイッチング素子１は、エッチングなどの微細加工に適した半導体製造技法あるいはマイクロマシンの製造技術を用いて製造することができるので、一つのスイッチング素子の大きさを十数ミクロンから数百ミクロンにすることが可能である。さらに、薄膜４０と光ガイド２１が積層された一体型の素子であり、加えて、光抽出部５０を駆動する電極３１および３５も組み込まれたユニット化された能動型のスイッチング素子として提供することができる。従って、複数の光スイッチング素子１を高密度で集積化することも容易であり、詳しくは後述するように、薄くて解像度の高い画像表示用のスイッチング素子を実現することができる。
【００２８】
（実施例２）
図３に、上記と異なる光スイッチング素子の例を示してある。本例の光スイッチング素子１も表面に凹凸２４が形成された光ガイド２１に薄膜４０が積層された構成であり、上記と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。また、以下の各実施例についても同様に共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【００２９】
本例の光スイッチング素子１においては、出射体４３として断面の大きさが波長の数倍から数十倍程度の小さな角柱あるいは円柱の柱状透明体４５を多数並べた構成が採用されている。このような出射体４３は、透明体４５の微細な構造によって抽出光１１が散乱して出射光１２を得ることができる。すなわち、透明電極３１および３５に異なった極性の電位を印加して抽出面３６を全反射面３１に近接または接触させると、抽出光１１が出射体４３の角柱あるいは円柱の柱状透明体４５の内部に入り込む。この抽出光１１は角柱あるいは円柱の柱状透明体４５の側面に当たり屈折して外部にでたり、あるいは反射して上部より外部に出るため、散乱光が出射光１２として得ることができる。柱状透明体４５の断面の大きさ、柱の長さを適当に選択する事により、光の取り出す効率、散乱の度合いを調節する事が可能である。
【００３０】
（実施例３）
図４に、光スイッチング素子のさらに異なる例を示してある。本例の光スイッチング素子１は、出射体４３としての機能を果たすマイクロプリズム４４が透明な薄膜４０の光ガイド２１に面した下部、すなわち、抽出側に配置されたものであり、マイクロプリズム４４の先端（光ガイド側）４４ｂに透明電極３５が設けられている。従って、電極３５および３１に電位差が印加されて全反射面３１に抽出面３６が接触あるいは近接すると、光ガイド２１を全反射しながら伝播する入射光１０が、抽出部５０である透明電極３５およびマイクロプリズム４４を通って抽出される。この抽出光１１は、マイクロプリズム４４の側面４４ａに反射され、光ガイド２１にほぼ垂直な方向の出射光１２となって透明な薄膜４０を通して出射される。
【００３１】
本例のように、薄膜４０と溝（グルーブ）２５の間に出射体４３を配置して光スイッチング素子１を形成することも可能であるが、出射体４３を収納するために光ガイド２１の表面２２に形成する凹凸２４の段差を大きくする必要がある。従って、光ガイド２１の加工精度を維持するのが難しくなる。しかしながら、光スイッチング素子１の出射方向が薄膜４０で覆われるようになるので、レンズなどの他の光学機器に重ねて配置可能になる点では優れている。また、透明電極３５を出射体４３の光ガイド２１の側に設けてあるので、薄膜４０と溝２５との距離が開いても透明電極３５および３１の距離を開けずに済む。このように電極間の隙間を狭くしておくことにより、小さな駆動電圧で光スイッチング素子１を駆動することができ、消費電力（動作電力）を低減することができる。
【００３２】
（実施例４）
図５に、本発明に係る光スイッチング素子１の他の例を示してある。上述した各光スイッチング素子１は、光ガイド２１の図面上の上方（表面、出射方向）２２に向かって抽出光１１を緩い適当な角度で反射あるいは屈折して、そのまま上方に出射する透過型の光抽出部５０が用いられており、光抽出部５０が透明な薄膜４０によって光ガイド２１の出射方向に支持されている。これに対し本例の光スイッチング素子１においては、光ガイド２１の下方（出射方向と反対側、裏面）２３に向かって抽出された抽出光１１を鋭角に反射して上方の出射方向に出射光１２を導く反射型の光抽出部５０が用いられている。そして、この光反射型の光抽出部５０が不透明あるいは反射性の薄膜４９によって光ガイド２１の裏面２３の側に支持されている。
【００３３】
本例の光スイッチング素子１には、エッチングによって薄膜化が容易なボロンドープのシリコン薄膜４９が採用されており、光ガイド２１の裏面２３に形成されたランド２７に電界熱接合によって積層されている。反射型の光抽出部５０のこの薄膜４９の光ガイド側の面４１に形成されており、光ガイドの裏面側から透明電極３５、光散乱材４８を含有した出射体４３および反射膜となるアルミニウム層５１が積層されている。
【００３４】
従って、電極３１および３５に極性の異なる電位が印加されると、上記の各スイッチング素子と同様に全反射面３２に抽出面３６が接触あるいは近接して抽出光１１を得ることができる。そして、本例の光スイッチング素子１においては、抽出光１１が散乱材４８を含んだ出射体４３の内部で散乱され、上方の出射方向に向いて散乱された出射光１２はそのまま進行して光ガイド２１を透過して光ガイドの表面２２から出射される。また、下方に向かって散乱された出射光１２は、アルミニウム製の反射膜５１によって上方の出射方向に反射され、光ガイド２１を透過して出射される。
【００３５】
本例のように、本発明に係る光スイッチング素子１は、反射型の光抽出部５０を用いても構成することが可能であり、光ガイド２１の方向に光を出射することができる。この方式の光スイッチング素子は、光ガイド２１の表面２２から光が出射されるので、この側にレンズなどの他の光学素子を隣接して配置することが容易な構成である。また、不透明なボロンドープドシリコンを薄膜４９として用いているので、ノイズとなる外光の侵入を薄膜４９で防止することができ、いっそうコントラストの高い光スイッチングを行うことができる。さらに、本例の光スイッチング素子１においても、散乱材を備えた出射体４３の光ガイド２１の側に透明電極３５を設けてあり、透明電極３１との隙間を最小限にすることにより小さな駆動電圧で高速駆動できるようにしている。
【００３６】
また、出射体４３に含まれる散乱材４８として波長選択性のある色素などを用い、反射膜の代わりに吸収性の膜を設けることにより特定の波長のみが出射されるようにすることも可能であり、カラー表示の可能な光スイッチング素子を実現することができる。
【００３７】
（実施例５）
図６に、本発明に係る光スイッチング素子１の他の例を示してある。本例の光スイッチング素子１は、反射型の光抽出部５０を用いた例であるが、マイクロプリズム４４などを用いた光反射性の出射体４３を透過性の薄膜４０の外側４２に設けた構成例である。このように、透過性の薄膜４０を用いて反射型の光抽出部５０を構成することも可能であり、この光抽出部５０を光ガイド２１の裏面２３に設置し、光ガイド２１の表面２２の側に出射光１２を導くことも可能である。さらに、マイクロプリズム４４としてダイクロイックプリズムなどの波長選択性のある光学素子を用いることも可能であり、カラー表示の可能な光スイッチング素子を提供することも可能である。
【００３８】
（実施例６）
図７に、本発明に係る光スイッチング素子１の他の例を示してある。本例の光スイッチング素子１は、反射型の光抽出部５０を用いた例であり、さらに、光抽出部５０を駆動する手段として電極を用いた静電力に代わりピエゾ素子５９による電歪力を用いた例を示してある。本例のピエゾ素子５９は、分極方向が異なる２層を積層したバイモルフタイプであり、電位を与えると湾曲し、その力によって個々の光抽出部５０を光ガイド２１の方向に圧迫できるようになっている。
【００３９】
本例の光スイッチング素子１においては、散乱材４８が含まれた出射体４３を備えた各光抽出部５０がボロンドープされたシリコン薄膜４９によって支持されている。そして、ピエゾ素子５９が湾曲して出射体４３が光ガイド２１の方向に圧迫されると、光を全反射して伝達する光ガイド２１の裏面２３に出射体４３の表面４３ａが抽出面となって接触または近接し、入射光１０が出射体４３に抽出光１１として導かれる。そして、出射体４３の内部で散乱した出射光１２が光ガイド２１を透過して光ガイドの表面２２から出射される。出射体４３と薄膜４９との間にアルミニウム製の反射層５１を設けておいても良いことはもちろんである。
【００４０】
このように、本発明の光スイッチング素子１は、静電力以外の駆動力を用いても駆動することが可能である。しかしながら、ピエゾ素子５９のような駆動体の支持や配置、さらには、電力供給の手段などを考慮すると、先に説明したような電極を用いた静電力を採用した方が構成を簡略化することができ、光スイッチング素子１のユニット化が容易である。
【００４１】
また、複数の光抽出部５０を組み立てる際に、導光部である光ガイド２１とは分離したユニットとして光抽出部５０を可動するように組み立てることももちろん可能である。しかしながら、上記の例に示すように、薄膜４０あるいは４９に取り付け、この薄膜を凹凸２４が形成された光ガイド２１の面に積層することにより簡単にユニット化が図られ、さらに、凹凸２４のランド２６の部分がスペーサとなって光抽出部５０と光ガイド２１との間に適当な隙間を維持できる。従って、本発明に係る高速動作が可能でオンオフのコントラストも高い高性能の光スイッチング素子を低価格で提供することができる。
【００４２】
（実施例７）
図８に、本発明に係る光スイッチング素子１の他の例を示してある。本例の光スイッチング素子１は、球体に近いマイクロレンズ４６を出射体４３として使用した例である。半球状からさらに球体に近い形状のマイクロレンズを出射体として用いることにより、屈折により出射光１２の方向を修正でき、効率良く光ガイド２１内の光を外部に抽出することができる。
【００４３】
さらに、本例の光スイッチング素子１は、光ガイド２１として１６０ｎｍ程度の波長の紫外線を効率よく透過する溶融石英を用いており、入射光１０としてブラックライト（紫外線光源）から紫外線が入射されるようになっている。そして、出射体４３には紫外線によって蛍光する蛍光剤４７が含まれており、出射体４３が抽出光１１によって発光して出射光１２が放出されるようになっている。すなわち、本例の光スイッチング素子１は、光ガイド２１の内部を伝達する紫外線のエネルギーを抽出面３５を介して抽出し、そのエネルギーを出射体で可視光に変換して放出するようにしているスイッチング素子である。また、蛍光体４７として適当な材料を選択することにより、光抽出部５０で紫外線によりカラー表示を行うことも可能である。蛍光体としては、赤色を発光する（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ3：Ｅｕ3+、緑色を発光するＢａＡｌ12Ｏ19：Ｍｎ、また、青色を発光するＢａＭｇＡｌ14Ｏ23：Ｅｕ2+などを採用することができる。このような３原色を発光可能な光スイッチング素子を用いて階調表示を行うことにより、高解像度のフルカラー表示を行うことが可能となる。
【００４４】
また、本例の光ガイド２１の裏面２３には光吸収層２９が形成されており、外からの光が侵入するのを防止してコントラストの強い蛍光が得られるようにしている。
【００４５】
このように、本例の光スイッチング素子１は、自己発光型の光抽出部５０を用いた光スイッチング素子であるが、本例の出射体４３に蛍光剤４７に代わって散乱材４８を含有して可視光を光ガイド２１に供給することにより、先の実施例と同様に散乱型の光抽出部を構成し直視型の光スイッチング素子を提供することも可能である。もちろん、透明な球体に近いマイクロレンズ４６を用いて入射光１０を抽出して出射する光スイッチング素子を提供することも可能である。
【００４６】
（実施例８）
図９に、本発明に係る光スイッチング素子１の他の例を示してある。上記の各光スイッチング素子１は、光抽出部５０に出射体４３が含まれ、抽出面が動くのに伴って出射体４３も動くようになっているのに対し、本例の光スイッチング素子１においては、光ガイド２１内から抽出された抽出光１１の出射側に薄膜４０によって駆動されない光処理部６０を設け、この光処理部６０で抽出光１１を出射光１２に処理（変換）するようにしている。このため、本例の光抽出部５０は、光ガイド２１から抽出光１１を抽出する機能だけを備えており、全反射が発生しないように面を構成するマイクロプリズムなどを搭載するだけの極めて簡易な構成にできる。従って、光抽出部５０を駆動する際の負荷が非常に小さくできるので、省電力でさらに高速動作が可能となり、多階調表現の可能な光スイッチング素子を提供することができる。
【００４７】
また、光処理部６０は、光抽出部５０と別に形成されるために多種多用な機能を持たせることが可能となる。例えば、出射光１２の方向性を高めるマイクロレンズとしての機能を付与でき波面変換機能を持たせることが可能である。可動する光抽出部５０とは別に設置できるので十分な曲率などを備えた光処理部６０を設けることができる。また、特定の波長を散乱する散乱材４８を混入して波長選択性を持たせることも可能であり、可動性を考慮しなくて良いので十分な量の散乱材４８を含んだ光処理部６０を設けることができる。もちろん、蛍光剤などの発光剤を含んだ光処理部６０を設定することも可能であり、紫外線などの可視光以外の処理も行うことができる。さらに、複数の機能を備えた光処理部６０を積層して配置することも可能であり、光ガイド２１から抽出された抽出光１１を適当に処理して出射することができる。
【００４８】
〔光スイッチング素子を用いた画像表示装置〕
上記にて本発明に係る幾つかの光スイッチング素子の例を示しながら説明したように、本発明の光スイッチング素子は、全反射している入射光を抽出して出射するようにしているので、偏光板などによる光のロスはなく、入射光を極めて効率良く取り出すことができる。さらに、オンオフを行うために光抽出部が駆動する間隔は波長あるいは半波長単位の微小な距離で良いので、高速応答が可能であり、良好なコントラストも得ることができる。また、エッチングなどの半導体製造方法あるいはマイクロマシンの製造方法として一般的な製造方法で本発明の光スイッチング素子を製造できるので、比較的簡単で歩留りも高く、さらに低コストで製造し供給することが可能となる。従って、本発明の光スイッチング素子を２次元的に配置することにより、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が可能であり、その幾つかの例を以下に示してある。なお、上記ですでに説明した部分については、共通の符号を付して以下では説明を省略する。
【００４９】
（実施例９）
図１０に、本発明の画像表示装置２を用いて画像を投射する様子を示してある。光源となるランプ５から出射された光は入射光１０となって画像表示装置２の光ガイド２１を全反射しながら進行し、複数の光抽出部５０が２次元的に配置された光スイッチング部３にいたる。そして、２次元的に配置された光抽出部５０のうち、電圧が印加された部分で抽出されて出射光１２が放出され、その光が投影レンズ６により集光されスクリーン７に投影される。
【００５０】
図１１に、本発明の画像表示装置２の光スイッチング部３の例を示してある。本例の光スイッチング部３は、上記の実施例１に示したスイッチング素子が二次元に多数並べられた構造を有している。本例のスイッチング部３の光抽出部５０は、出射体４３であるマイクロプリズム４４として、赤色を透過する波長選択性を有するプリズム４４Ｒ、緑色を透過する波長選択性を有するプリズム４４Ｇ、青色を透過する波長選択性を有するプリズム４４Ｂが用いられた光スイッチング素子が順番に配置されており、この３種類の光スイッチング素子を一組として１画素（ピクセル）がフルカラーで表示できるようになっている。
【００５１】
本例のスイッチング部３においては、階調表示は各々の光スイッチング素子１の電極３１および３５に印加される電圧の印加時間を調整することにより行うことができる。グレートーンの階調表示を例にすれば、黒色は印加時間がゼロで光ガイド２１から光が抽出されず、一方、白色は印加時間が最大として最も長い間光が抽出される。そして、この中間のグレー階調は印加時間を調節して表現することができる。このような階調制御を各色のプリズム４４Ｒ、４４Ｇおよび４４Ｂを備えたスイッチング素子毎に行うことによりフルカラー表示を行うことができる。さらに、本例のスイッチング素子は高速駆動が可能で、多階調表現ができるので高解像度のフルカラー表現を行うことができる。
【００５２】
波長選択性はマイクロプリズム４４以外にも、光が通過する他の部分、たとえば透明電極３５の近傍にカラーフィルターを設置してもよい。また、マイクロプリズム４４を透明な樹脂に色素を分散したものにより製作して実現してもよいし、透明電極３５の近傍に誘電体多層膜によりダイクロイックミラーを構成して実現するなど多種多用な方法を採用することができる。
【００５３】
図１２に、本例の画像表示装置２のスイッチング部３の概略構成を部分的に薄膜４０を欠いて示してある。本例のスイッチング部３は、スイッチング素子１が２次元的に配置されるように形成されている。このため、光ガイド２１には走査方向に延びた透明電極３１が所定のピッチで配置されており、薄膜４０には走査方向と直交する副走査方向に延びた透明電極３５が所定のピッチで配置されている。もちろん、走査方向および副走査方向は入れ替わっても良い。そして、透明電極３１および３５が交わる部分に出射体４３であるマイクロプリズム４４が取り付けられ、光抽出部５０を備えた光スイッチング素子１が形成されている。本例においては、薄膜４０を支持するランド（突起）２６が、光スイッチング素子１の周囲に、光抽出部５０の四方を支持するように柱状に形成されており、それぞれの突起２６が電極３５と干渉せずに薄膜４０に電界熱接合などの方法により強固に接合されるようになっている。また、可動する光抽出部５０を４角（４隅）で支持することにより、全反射面である透明電極３１の表面３２と接触する抽出面（電極３５の表面）３６の面積を広く確保することが可能となる。このため、光ガイド２１から光抽出部５０の単位で高強度の抽出光を得ることができ、明るい画像表示装置２を形成することができる。
【００５４】
（実施例１０）
図１３に、本発明に係る画像表示装置の異なった例を示してある。本例の画像表示装置２は、プリズム状の光ガイド２１を備えており、光源５からの入射光１０が直に光スイッチング部３の全反射面に照射されるようになっている。このような画像表示装置２を用いることにより、入射光１０の方向は出射方向に対し直交する方向に設定しなくても良い。従って、投射装置などの光源５と画像表示装置２を用いた応用装置においては、光源５と画像表示装置２の向きは適当な角度に設定することが可能であり、コンパクトで使用の形態に則した投射装置などを提供することができる。
【００５５】
（実施例１１）
図１４に、本発明に係る画像表示装置の使用例を示してある。本例は画像表示装置２をヘッドマウントディスプレーに応用した例である。光源であるＬＥＤ７０から出射された光は画像表示装置２の光ガイド２１に繋がったプリズム７１により取り込まれて入射光１０となり、光ガイド２１を全反射しながら進行する。そして、光スイッチング部３によってスイッチングされて画像が形成され、集光用のレンズ７２によって目７３に至る。本例の光スイッチング部３には、直視に適した散乱型の光抽出部が採用されており、例えば、上記の実施例２に説明したような光抽出部を用いることができる。
【００５６】
また、本例の画像表示装置の光源であるＬＥＤ７０は赤緑青、またはシアン、マゼンダ、イエローなどの光の３原色を発光可能な３種類のＬＥＤ７０ａ、７０ｂおよび７０ｃが用意されており、これらが時間分割により発光させてそれぞれの色の光線が画像表示装置２に入射されるようになっている。このため、画像表示装置２のスイッチング部３においては、これらのＬＥＤ７０ａ、７０ｂおよび７０ｃの発光のタイミングと同期してそれぞれの色を表現するように各ドットを表示する光スイッチング素子が動作し、フルカラー画像を表示するようにしている。
【００５７】
もちろん、波長選択性のある散乱型の光抽出部、例えば、実施例４、６あるいは８に示したような光スイッチング素子を用いてフルカラー表示可能なヘッドマウントディスプレイ用の画像表示装置を提供することも可能であり、波長選択性のある光抽出部を採用した場合は白色光を光源として選択することができる。従って、外光を適当な光学系を用いて方向性を整えて光ガイド２１に入射して画像表示を行うことも可能である。さらに、実施例７に示したように発光型の光抽出部を用いた光スイッチング素子を採用してカラー画像を表示可能な画像表示装置を提供することももちろん可能である。
【００５８】
（実施例１２）
図１５に、本発明に係る画像表示装置を用いた投射型の表示装置の異なった例を示してある。上記の実施例１０および１１では、透過型の光抽出部を備えた光スイッチング素子を用いた例を示してあるのに対し、本例の画像表示装置２のスイッチング部３としては反射型の光抽出部を備えた、例えば実施例５に示したような光スイッチング素子を用いることができる。本例の画像表示装置２の光ガイド２１には、一方に入射用の面８１が用意されており、この面に向かって光源から赤緑青（ＲＧＢ）、またはシアン、マゼンダ、イエローなどの光の３原色が時分割で入射される。本例の光源８０は、白色のメタルハライドランプ８０ａと、モータで回転される３色分割フィルタ８０ｂとを備えており、３色分割フィルタ８０ｂで色分割された光線がコリメータレンズ８０ｃを通して並行光束化されて入射面８１から光ガイド２１に入射される。そして、光スイッチング部３に到達した入射光１０は、光スイッチング素子によって反射されて光ガイド２１を透過する出射光１２となって出射され、投射レンズ８５を通ってスクリーンなどに画像が形成される。一方、光スイッチング部３の光スイッチング素子によって出射光に変換されなかった入射光は全反射によって光ガイド２１の入射面８１と反対側の反射面８２に到達し、この面で反射されて再び光ガイド２１内を伝達し、光スイッチング部３に到達する。
【００５９】
このように、本例の画像表示装置２は時分割され入射光に同期して光スイッチング部３を操作することによりカラー画像を投射することができる。もちろん、白色光を入射光１０として採用し、波長選択性のある光抽出部を用いた光スイッチング部３によってカラー画像を投射できることは上記にて説明した透過性の光スイッチング部を備えた画像表示装置と同様に可能である。
【００６０】
なお、上述した光スイッチング素子および画像表示装置は本発明の一例に過ぎず、本発明は請求の範囲に記載した通りのものであり、実施の形態に示した幾つかの例に限定されるものではないことはもちろんである。また、光源に単色光としてレーザを用いるなどの上記以外の応用機器も可能である。さらに、本発明の光スイッチング素子の適用例は画像表示装置に限定されるものではなく、光プリンターのライン状ライトバルブ、三次元ホログラムメモリ用の光空間変調器などその応用範囲は非常に広く、従来の液晶を用いた光スイッチング素子が適用されている分野はもちろん、液晶を用いた光スイッチング素子では動作速度や光強度が不足する分野および応用機器に対して本発明の光スイッチング素子は特に適している。さらに、本発明の光スイッチング素子は微細加工が可能であるので、従来の液晶の光スイッチング素子よりも小型化、薄型化を図ることができ、高集積化することも可能である。
【００６１】
【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素子は、非常に軽い光抽出部を可動部として動作し、その移動範囲をわずか一波長程度あるいはそれ以下にすうことができ、全反射により封じ込まれている光を取り出すことができる。このため、１ミリ秒以下の応答速度が得られる。さらに、光抽出部が全反射面から離れてスイッチがオフとなるときは、光が全反射されるので出力光がまったく無い。このため、コントラストは大変に良好な光スイッチング素子が得られる。また偏光板が必要ないため光のロスを減らすことができる。さらに照明のための光学系も小型、薄型化が可能となる。
【００６２】
また、抽出した光を出射する出射体としては、上述したように種々の構成を採用することが可能であり、例えば、マイクロプリズムあるいはマイクロレンズを用いることにより出射光を効率良く取り出すことが可能となる。また、ほぼ円錐あるいは角錐の先端を取り除いた形状を有し導光体に近い側の底面積が遠い側より小さい透明体を用いることにより、出射効率を上げると同時に、出射光の方向をコントロールして、所定の方向に光を整えて取り出すことが可能となる。
【００６３】
さらに、これらの光抽出部を薄膜で支持して導光部に積層し、光抽出部を駆動する駆動機構に静電力の発生構造を用いることにより、薄膜技術、マイクロマシン技術により一体となった光スイッチング素子を構成でき、製造しやすいという効果を有する。従って、小型で薄く、さらに信頼性の高い光スイッチング素子を低コストで供給することが可能となる。
【００６４】
また、本発明の光スイッチング素子を二次元状に並べて画像を表示することが可能であり、光スイッチング素子がオフ状態の全反射時には光がでないため、コントラストが良い画像表示装置を提供できる。さらに本発明の光スイッチング素子の高速性を利用して、電圧印加時間により階調を表現できるため、液晶のような電圧レベルによる階調表示よりも正確な階調をダジタル信号処理により実現できる。さらに、導光部に光を導くことによって光スイッチング素子を利用できるので、本発明の画像表示装置の照明光学系も簡素化することができ、簡易な構成の投射装置やヘッドマウントディスプレイなどの様々な機器に応用することができる。
【００６５】
また、光抽出部に波長選択特性を与えたり、時分割された原色を入射光として供給することによりフルカラー表示も可能であり、本発明の光スイッチング素子は出射される光強度も高く、さらに、高速動作が可能で多階調制御ができるので、高品位なカラー表示が可能な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】本発明の実施の形態の実施例１に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図２】エバネセント波の透過率を距離に対して示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態の実施例２に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の実施例３に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の実施例４に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の実施例５に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の実施例６に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態の実施例７に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態の実施例８に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態の実施例９に係る画像表示装置を投射装置に適用した様子を示す図である。
【図１１】図１０に示す画像表示装置の概略構成を示す図である。
【図１２】図１０に示す画像表示装置の構成を一部欠いて示す斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態の実施例１０に係る画像表示装置を投射装置に適用した異なった例を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態の実施例１１に係る画像表示装置をヘッドマウントディスプレイに適用した例を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態の実施例１２に係る画像表示装置を投射装置に適用した異なった例を示す図である。
【図１６】従来の液晶を用いた光スイッチング素子を示す図である。
【符号の説明】
１・・光スイッチング素子
２・・画像表示装置
３・・光スイッチング部
５・・ランプ
６、８５・・投影レンズ
７・・スクリーン
１０・・入射光
１１・・抽出光
１２・・出射光
２１・・光ガイド（導光部）
２２、２３・・光ガイドの面
２４・・凹凸
２５・・溝または凹み
２６・・突起またはランド
２７・・電界熱接合部
２９・・吸収層
３１、３５・・透明電極
３２・・透明電極の表面（全反射面）
３６・・透明電極の表面（抽出面）
４０、４９・・薄膜
４３・・出射体
４４・・光学素子
４７・・蛍光体
４８・・散乱体
５０・・抽出部
５１・・反射層
６０・・光処理部
７０・・ＬＥＤ
７１・・プリズム
７２・・レンズ
７３・・目
９０８・・偏光板
９０３・・ガラス板
９０４、９０５・・透明電極
９０６、９０７・・液晶
【図１】
0003787983.tif 000002
【図２】
0003787983.tif 000003
【図３】
0003787983.tif 000004
【図４】
0003787983.tif 000005
【図５】
0003787983.tif 000006
【図６】
0003787983.tif 000007
【図７】
0003787983.tif 000008
【図８】
0003787983.tif 000009
【図９】
0003787983.tif 000010
【図１０】
0003787983.tif 000011
【図１１】
0003787983.tif 000012
【図１２】
0003787983.tif 000013
【図１３】
0003787983.tif 000014
【図１４】
0003787983.tif 000015
【図１５】
0003787983.tif 000016
【図１６】
0003787983.tif 000017