(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成したマイクロアクチュエータと、
該マイクロアクチュエータに接続されたマイクロ光学素子とを有し、
前記マイクロアクチュエータの変形によって前記マイクロ光学素子が移動して光の挙動を変化させる素子を、
単独、又はアレイ状に整列させて構成し、
更に前記基板上に前記素子を取囲む壁を設け、
該壁の上面には、光を導入するためのガラス、または樹脂を接続させた能動型光学素子において、
前記マイクロ光学素子が移動する空間を、前記マイクロ光学素子を樹脂の転写によって作成する時に用いる転写型に予め段差を設けておき、前記マイクロ光学素子の上面と前記壁の上面を樹脂に同時に前記転写型で転写して形成したことを特徴とする能動型光学素子。
【請求項２】
前記壁の上面に、光を反射する薄膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の能動型光学素子。
【請求項３】
基板と、
該基板上に形成したマイクロアクチュエータと、
該マイクロアクチュエータに接続されたマイクロ光学素子とを有し、
前記マイクロアクチュエータの変形によって前記マイクロ光学素子が移動して光の挙動を変化させる素子を、
単独、又はアレイ状に整列させて構成し、
更に前記基板上に前記素子を取囲む壁を設け、
該壁の上面には、光を導入するためのガラス、または樹脂を接続させた能動型光学素子において、
前記マイクロ光学素子が移動する空間を、前記ガラス、または樹脂の前記マイクロ光学素子に相対する面に段差を設けて形成したことを特徴とする能動型光学素子。
【請求項４】
前記壁とは別に、前記基板上に少なくとも１つ以上の突起を設け、該突起の上面に前記ガラス、または樹脂を接続したことを特徴とする請求項１乃至３に記載の能動型光学素子。
【請求項５】
前記壁に、該壁の外側の空間と前記素子の存在する空間とを貫通する、少なくとも1つ以上の窪みを設けたことを特徴とする請求項１乃至４に記載の能動型光学素子。
【請求項６】
前記窪みは、前記マイクロアクチュエータの上面と前記ガラス、または樹脂との吸着防止処理、または、加圧又は減圧された気体を前記素子が存在する空間に挿入した後、接着剤を注入するか又は膜を形成することにより塞がれることを特徴とする請求項５に記載の能動型光学素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６に記載の能動型光学素子を光スイッチング素子として用い、光源から光を前記光スイッチング素子に照射し、画像情報を持たせて前方に投射することにより、画像表示することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロマシンによりマイクロ光学素子を動かし光スイッチングする能動型光学素子、及び、画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のマイクロアクチュエータは、中間電極と上、又は、下の電極との間に電圧を印可し、中間電極を上下に移動させている。また、上下の電極には絶縁膜が中間電極側に設けられており、中間電極が移動し上、又は、下の電極に接触するのを前記絶縁層で防止していた。前記絶縁層は、中間電極が移動する時の上限、又は、下限のストッパーの役割も担っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光導入プリズムの下面に接触と、サブミクロンの間隔への移動により、光スイッチングを行う光スイッチング素子においては、マイクロ光学素子の上面が、光導入プリズムの下面に、接触からサブミクロンの間隔への移動距離を正確に確保する必要がある。この段差を持つ壁を、アクチュエータを作成する時に基板上に作成し、その後マイクロ光学素子を作成する工程では、正確なサブミクロンの間隔を作り出す事は非常な困難を要した。また、不活性な気体でマイクロ光学素子の廻りを封止し、光スイッチングの安定性、耐久性を向上させる必要もある。
【０００４】
一方、電極間の接触を防止させる為の絶縁層には、僅かではあるが電荷が溜まり、その電荷によって静電吸着を起し、アクチュエータが動かなくなる問題を生ずる。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、非常に簡単な構造で、しかも、工程を増やす事無く、正確にサブミクロンの間隔を形成し、マイクロ光学素子の封止も簡単に行え、静電吸着等を起さない、信頼性ある能動型光学素子、及び、画像表示素子を提供することを主な目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の能動型光学素子は、
１）基板と、該基板上に形成したマイクロアクチュエータと、該マイクロアクチュエータに接続されたマイクロ光学素子とを有し、
前記マイクロアクチュエータの変形によって前記マイクロ光学素子が移動して光の挙動を変化させる素子を、単独、又はアレイ状に整列させて構成し、更に前記基板上に前記素子を取囲む壁を設け、該壁の上面には、光を導入するためのガラス、または樹脂を接続させた能動型光学素子において、
前記マイクロ光学素子が移動する空間を、前記マイクロ光学素子を樹脂の転写によって作成する時に用いる転写型に予め段差を設けておき、前記マイクロ光学素子の上面と前記壁の上面を樹脂に同時に前記転写型で転写して形成したことを特徴とする。
【０００７】
２）前記壁の上面に、光を反射する薄膜が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
３）基板と、該基板上に形成したマイクロアクチュエータと、該マイクロアクチュエータに接続されたマイクロ光学素子とを有し、
前記マイクロアクチュエータの変形によって前記マイクロ光学素子が移動して光の挙動を変化させる素子を、単独、又はアレイ状に整列させて構成し、
更に前記基板上に前記素子を取囲む壁を設け、該壁の上面には、光を導入するためのガラス、または樹脂を接続させた能動型光学素子において、
前記マイクロ光学素子が移動する空間を、前記ガラス、または樹脂の前記マイクロ光学素子に相対する面に段差を設けて形成したことを特徴とする。
【０００９】
４）前記壁とは別に、前記基板上に少なくとも１つ以上の突起を設け、該突起の上面に前記ガラス、または樹脂を接続したことを特徴とする。
【００１０】
５）前記壁に、該壁の外側の空間と前記素子の存在する空間とを貫通する、少なくとも1つ以上の窪みを設けたことを特徴とする。
【００１１】
６）前記窪みは、前記マイクロアクチュエータの上面と前記ガラス、または樹脂との吸着防止処理、または、加圧又は減圧された気体を前記素子が存在する空間に挿入した後、接着剤を注入するか又は膜を形成することにより塞がれることを特徴とする。
【００１２】
７）マイクロ光学素子と、該マイクロ光学素子に接続してマイクロ光学素子を駆動するマイクロアクチュエータを有する能動型光学素子において、前記マイクロアクチュエータは少なくとも２つの電極を有し、該電極の一つは固定されており、もう一つは可動可能で前記マイクロ光学素子に接続しており、前記電極に電圧を印加することで可動可能な電極が固定された電極側に移動する際、前記固定された電極と前記可動可能な電極とが接触する前に、前記マイクロ光学素子が接触するストッパを設けたことを特徴とする。
【００１３】
８）前記ストッパは、光スイッチングを行う為に前記マイクロ光学素子の上方に形成されているガラス、または樹脂の下面であることを特徴とする。
【００１４】
最後に、上記課題を解決する本発明の画像表示装置は、能動型光学素子を光スイッチング素子として用い、光源から光を光スイッチング素子に照射し、画像情報を持たせ、前方に投射することにより、画像を表示することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるアレイ状光スイッチング素子の平面図である。また、図２は図１における１０４、１０５の断面を示した断面図である。
【００１６】
図１、図２は、３×３に光スイッチング素子がアレイ状になった能動型光学素子を示し、１０１は個々の光スイッチング素子、１０２は隣のスイッチング素子との間隔を示す。１０３はアレイ状光スイッチング素子を囲む壁である。次に、光スイッチングの概略を説明する。下電極２０１と、中間電極に電位差を与える事により引力が発生し、中間電極はばね２０３を撓ませ下方向に移動する。同様に、上電極２０２と、中間電極に電位差を与える事により引力が発生し、中間電極は上方向に移動する。中間電極はばね２０３に接続されもう一方の端は支柱２０４に固定されており、その支柱２０４にはマイクロ光学素子１０１が接続されている。従って、中間電極が静電力により上方または下方に移動すると同時に、支柱２０４で接続されたマイクロ光学素子１０１も同様に上方または下方に移動する。マイクロ光学素子１０１はｖ形の反射ミラー２０７を持ち、ｖ形の反射ミラー２０７の上部は透明部材によって充填され上面は平面になっている。これらのアレイ状の光スイッチング素子の回りには壁１０３が設けてあり、壁１０３に光導入プリズム２０９が固定されている。光導入プリズムの下面に斜入射した光線２１３は、マイクロ光学素子１０１がアクチュエータによって下方に移動している時には、マイクロ光学素子１０１の上面と光導入プリズムの下面とに間隔が生ずる為、光導入プリズムの下面で全反射を起し２１４方向に反射する。一方、マイクロ光学素子１０１がアクチュエータによって上方に移動して、マイクロ光学素子１０１の上面と光導入プリズムの下面が接触している時には、光導入プリズムの下面に斜入射した光線２１０は、マイクロ光学素子１０１の上面を透過し光線２１１となる、光線２１１はマイクロ光学素子に設けられたｖ型の反射ミラー２０７によって反射し、光線２１２となり上方に出射する。この原理により、光線はマイクロ光学素子１０１の上下の動きにより、２１４方向と２１２方向に光をスイッチングさせる事が出来るのである。
【００１７】
壁１０３はアレイ状光スイッチング素子を囲む構造であり、アレイ状光スイッチング素子の空間２０５を不活性気体を充填したり、回りの圧力より気体を加圧又は減圧に保持したりする為の封止ができる。これにより、光スイッチング素子が保護され、信頼性、耐久性が飛躍的に向上する。
【００１８】
一方で、壁１０３は光導入プリズムの下面を２０６で接触させ固定する事により、マイクロ光学素子が、光導入プリズムの下面接触したり、全反射光がマイクロ光学素子に進入しない距離（０．５μｍ以上）に移動したりする間隔を確保する事が出来る。
【００１９】
（実施例２）
実施例２における段差を形成する手段を図３により説明する。図３(a)はマイクロ光学素子を動かす為のアクチュエータ構造をフォトリソ工程を用い作成し、犠牲層エッチング前にマイクロ光学素子の原形を樹脂成形によって作成している所を示した図である。下電極２０１ばね２０３上電極２０２、マイクロ光学素子との接続する為の支柱が出来、その隙間に犠牲層３０１が詰まっている。前記の構造の上にｖ形の反射ミラーを樹脂で形成し、透明樹脂３０３をｖ形の溝に充填し、段差３０５を有する成形型３０４によって成形されている。これにより、ｖ形の溝に充填された透明樹脂の上面をフラットにしつつ、段差３０５を正確に成形する。その後図３（ｂ）に示すように、レジスト膜３０６を塗布し、３０７をパターンニングする。その後、パターンニングによってレジスト膜の除去された場所が垂直にエッチングされ、レジストを除去すれば、図３（ｃ）に示す形状になる。樹脂のエッチングでは犠牲層３０１はエッチングされない為、犠牲層の表面３０８が露出する。その後、犠牲層エッチングによって３０１が除去され図３（ｄ）に示す様に、アクチュエータが静電力で動ける空間２０５が生成される。この段差形成手段を用いれば、成形型３０４にエッチング等で非常に正確な段差をつけておけば、マイクロ光学素子の上面と段差の上面を形成する型が同じである為、正確に段差が転写され、正確なサブミクロンの段差３０９が容易に形成できる。
【００２０】
（実施例３）
図４に実施例３における発明を説明する概略図を示す。
【００２１】
段差の上部には転写によって作られた樹脂部４０４が存在する。その上面に反射膜４０１が蒸着されている。これにより、光導入プリズムの中を伝搬する光線４０２は段差１０３の上面に設けられた反射膜によって全反射と同じ方向４０３に反射する。従って、光導入プリズムに段差の上面が密着しても、段差上部の樹脂部に光線４０２が透過し散乱光等が発生する事の無い、非常に光スイッチングのＳ／Ｎ比が高い、信頼性のある能動型光学素子が得られる。
【００２２】
（実施例４）
図５に実施例４の断面図を示す。
【００２３】
実施例２における、段差形成手段において、成形型３０４の下面に段差をつけない型により段差を形成する手段を示す。成形型に段差が無い為、犠牲層エッチング後の形状は図５（ａ）となる.突起の上面５０３に５０１の段差を有する導入プリズム５０２を接続する事により、マイクロ光学素子が、光導入プリズムの下面接触したり、全反射光がマイクロ光学素子に進入しない距離（０．５μｍ以上）に移動したりする間隔を確保する事が出来る。
【００２４】
光導入プリズムの段差はエッチング等で正確に出来る為、導入プリズムに段差をつける方法により、成形型を平面に出来、成形時の位置合わせ等に許容誤差の大きな製造方法が取れ、しかも、マイクロ光学素子上面と導入プリズム下面との、正確なサブミクロンの段差５０４が容易に形成できる。
【００２５】
（実施例５）
図６（ａ）は本発明の実施例４におけるアレイ状光スイッチング素子の平面図である。また、図６（ｂ）は、（ａ）における６０１、６０２、の断面を示した断面図である。
【００２６】
図６（ａ）は、３×３に光スイッチング素子がアレイ状になった能動型光学素子を示し、６０４は個々の光スイッチング素子、６０５は隣のスイッチング素子との間隔を示す。６０６はアレイ状光スイッチング素子を囲む段差である。また、６０３は周囲の段差６０６の上面と高が同じ上面を持つ突起である。以下で光スイッチングの概略を説明する。下電極２０１と、中間電極に電位差を与える事により引力が発生し、中間電極はばね２０３を撓ませ下方向に移動する。同様に、上電極２０２と、中間電極に電位差を与える事により引力が発生し、中間電極は上方向に移動する。中間電極はばね２０３に接続されもう一方の端は支柱２０４に固定されており、その支柱２０４にはマイクロ光学素子６０４が接続されている。従って、中間電極が静電力により上方または下方に移動すると同時に、支柱２０４で接続されたマイクロ光学素子６０４も同様に上方または下方に移動する。マイクロ光学素子６０４はｖ形の反射ミラー２０７を持ち、ｖ形の反射ミラー２０７の上部は透明部材によって充填され上面は平面になっている。これらのアレイ状の光スイッチング素子の回りには段差６０６が設けてあり、段差６０６に光導入プリズム２０９が固定されている。光導入プリズムの下面に斜入射した光線２１３は、マイクロ光学素子６０４がアクチュエータによって下方に移動している時には、マイクロ光学素子６０４の上面と光導入プリズムの下面とに間隔が生ずる為、光導入プリズムの下面で全反射を起し２１４方向に反射する。一方、マイクロ光学素子６０４がアクチュエータによって上方に移動して、マイクロ光学素子６０４の上面と光導入プリズムの下面が接触している時には、光導入プリズムの下面に斜入射した光線２１０は、マイクロ光学素子６０４の上面を透過し光線２１１となる、光線２１１はマイクロ光学素子に設けられたｖ型の反射ミラー２０７によって反射し、光線２１２となり上方に出射する。この原理により、光線はマイクロ光学素子の上下の動きにより、２１４方向と２１２方向に光をスイッチングさせる事が出来るのである。
【００２７】
段差６０６はアレイ状光スイッチング素子を囲む構造であり、アレイ状光スイッチング素子の空間２０５を不活性気体を充填したり、回りの圧力より気体を加圧又は減圧に保持したりする為の封止ができる。これにより、光スイッチング素子が保護され、信頼性、耐久性が飛躍的に向上する。
【００２８】
一方で、アレイ状光スイッチング素子の中に設けた段差６０３は光導入プリズムの下面を段差上面６０５で接触させ固定する事により、光導入プリズム下面の面精度が少し悪い場合、素子の周囲と中の圧力差による光導入プリズム下面の撓みがある場合においても、マイクロ光学素子が、光導入プリズムの下面接触したり、全反射光がマイクロ光学素子に進入しない距離（０．５μｍ以上）に移動したりする間隔をより正確に確保する事が出来る。
【００２９】
（実施例６）
図７（ａ）に実施例６における発明を説明する平面図を示し、図７（ｂ）に実施例６における発明を説明する断面図を示す。
【００３０】
段差７０５はアレイ状光スイッチング素子を囲む構造であり、その一部７０３と７０４に窪みを設けてある。窪み７０３と７０４は同様な窪みであるので、窪み７０４についてのみ説明する。窪み７０４を横切る７０１から７０２に示す直線の断面図を図７（ｂ）に示す。光導入プリズム２０９の下面が窪みを持つ段差７０５の上面に密着固定される。その状態で窪み７０４はアレイ状光スイッチング素子が存在する空間と段差７０５の外側につながる穴となる。これにより、光導入プリズムを段差７０５に固定した後、アレイ状光スイッチング素子が存在する空間の吸着防止処理、空気以外の気体の充填、気体の加圧又は減圧等を行う事が容易に出来る。
【００３１】
（実施例７）
実施例７における説明図を図８（ａ）、（ｂ）に示す。
【００３２】
図８（ａ）では実施例６で生成された穴７０３，７０４を持ち、光導入プリズムが密着固定されている状態を示す。この状態で段差７０５の周囲を減圧すると、アレイ状光スイッチング素子が存在する空間の気体が８０１に示す様に外に排出される。排出された後、図８（ｂ）に示す様に、接着剤８０２により、穴７０３，７０４を塞ぐ。この方法により、アレイ状光スイッチング素子が存在する空間を満たす気体が減圧された状態で封止できるのである。この様に、アレイ状光スイッチング素子が存在する空間を不活性な気体を減圧して保つ事により、素子の信頼性を高めると同時に、エアーダンピング効果を減少させ、より高速な光スイッチングを行う事が出来る。
【００３３】
（実施例８）
実施例８における平面図を図９（ａ）、９０４−９０５の断面図を図９（ｂ）に示す。
【００３４】
実施例８では、実施例６，７で示したアレイ状光スイッチング素子が存在する空間の周囲を取囲む段差の窪み形状、及び封止手段のもう一つの実施例を示す。段差９０２には窪み９０３が段差の上面の一部に設けられており、光導入プリズム２０９を固定した状態では、段差９０２の内部と外部をつなげる穴となっている。この状態で、撥水処理、気体の封入、加圧又は減圧を行う。その後、膜着けを行い、パターンニングによって９０１の形状とする。これにより、貫通穴９０３が膜９０３によって塞がれ、アレイ状光スイッチング素子が存在する空間を封止する事が出来る。この様な方法を用いると、接着剤が固まる前に段差の上面と光導入プリズムの下面との間に入り込む事もなく、また、接着剤の硬化時における変形などもない、正確な段差確保と、強固な封止が容易に実現できる。
【００３５】
（実施例９）
実施例９を説明する為の断面図を図１０に示す。
【００３６】
中間電極上電極２０２と、中間電極に電位差を与える事により引力が発生し、中間電極は上方向に移動する。中間電極はばね２０３に接続されもう一方の端は支柱２０４に固定されており、その支柱２０４にはマイクロ光学素子１０１が接続されている。従って、中間電極が静電力により上方または下方に移動すると同時に、支柱２０４で接続されたマイクロ光学素子１０１も同様に上方に移動する。光導入プリズム２０９の下面は段差１０３に固定されており、マイクロ光学素子１０１が上方に移動するとマイクロ光学素子１０１の上面が光導入プリズム２０９の下面に接触して停止する。段差１０３の上面とマイクロ光学素子１０１の上面は非常に正確に段差が出来ている為、マイクロ光学素子１０１の上面が光導入プリズム２０９の下面に接触して停止した状態で、上電極２０２の下面と中間電極及びばねとの間には常に間隔１００１が存在する構造となる。従って、この様な構造の為、上電極の下面又は中間電極、及びばねには絶縁層を設けなくて良い。つまり光導入プリズムの下面が中間電極のストッパの役割を果たすのである。これにより、絶縁層を無くす事が出来る為、絶縁層での帯電も無い、繰り返し耐久性の良い光スイッチング素子を持つ能動型光学素子が実現できる。
【００３７】
（実施例１０）
図１１は本発明の実施例１０における画像表示装置を示す概略図である。光源１１０１より出射した光はレンズ１１０２により色フィルタ１１０３上に集光させ、コリメートレンズ１１０４により平行光となり光導入プリズム１１０６に入射する。光導入プリズム１１０６に入射した光は、実施例１〜８で示した能動型光学素子１１０５に入射し、画素表示として選択的に１１０７に出射される。画像情報を持った光１１０７は投射レンズ１１０８によってスクリーンに投影され、動画等を表示するのである。このように、構造が複雑でなく、工程も少ない能動型光学素子が実現した為、画像表示装置に要求される、信頼性、耐久性が非常に良い画像表示装置が実現した。また、導入プリズム、投射レンズ等が小さくできる為、軽量で、省電力な画像表示装置が実現できた。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、
１）１マイクロ以下の間隔を非常に精度良く実現でき、しかも、制度の良い間隔を確保する為の段差を容易に作る事ができた。これにより、アクチュエータを駆動する電圧のばらつきが抑えられ、しかも、間隔を狭く出来る為、低い
電圧での駆動も可能となり、省電力な能動型光学素子が実現した。
【００３９】
２）非常に制度の良い段差を樹脂転写技術により、マイクロ光学素子を製作する工程と同じ工程で同時に出来る為、非常に安価で省エネルギーの製作工程が
実現できた。
【００４０】
３）素子の封止方法においても、段差を形成する型の僅かな変更により、非常に制度の良い段差の性能を落とす事無く、光導入プリズムの固定、素子の封止が実現できた。これにより、素子の信頼性を高めると同時に、光スイッチング速度を上げる事が出来た。従って、この能動型光学素子により、デジタル
光階調表現が可能となった。
【００４１】
４）電極と電極の間に絶縁層を設けなくて良い為、絶縁層での電荷の蓄積による繰返し耐久性の劣化を避ける事が出来た。従って、絶縁層を設ける工程も無い為、安価で耐久性のある能動型光学素子が実現し、能動型光学素子を画像
表示装置に用いても、耐久性で問題になる事が無くなった。
【００４２】
構造が複雑でなく、工程も少ない能動型光学素子が実現した為、画像表示装置に要求される、信頼性耐久性が非常に良い画像表示装置が実現した。また、導入プリズム、投射レンズ等が小さくできる為、軽量で、省電力な画像表示装置が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１におけるアレイ状光スイッチング素子の平面図である。
【図２】  図１の断面図を示す概略図である。
【図３】  実施例２における段差形成手段の説明図である。
【図４】  実施例３における能動型光学素子の説明図である。
【図５】  実施例４の断面図を示す概略図である。
【図６】  （ａ）実施例５におけるアレイ状光スイッチング素子の平面図である。
（ｂ）図６（ａ）の断面図を示す概略図である。
【図７】  （ａ）実施例６における平面図を示す概略図である。
（ｂ）図７（ａ）の断面図を示す概略図である。
【図８】  （ａ）、（ｂ）実施例７における封止方法の説明図である。
【図９】  （ａ）実施例８における平面図を示す概略図である。
（ｂ）図９（ａ）の断面図を示す概略図である。
【図１０】  実施例９における説明する為の断面図である。
【図１１】  実施例１０における画像表示装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１０３…壁
３０４…成形型
９０１…封止膜
【図１】
0003755326.tif 000002
【図２】
0003755326.tif 000003
【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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