JP4614027B2 - Optical multilayer structure, optical switching element, and image display device - Google Patents

Optical multilayer structure, optical switching element, and image display device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を反射若しくは透過させる機能を有する光学多層構造体、およびこれを用いた光スイッチング素子並びに画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、映像情報の表示デバイスとしてのディスプレイの重要性が高まっており、このディスプレイ用の素子として、更には、光通信,光記憶装置,光プリンタなどの素子として、高速で動作する光スイッチング素子(ライトバルブ)の開発が要望されている。従来、この種の素子としては、液晶を用いたもの、マイクロミラーを用いたもの(DMD;Digtal Micro Miror Device 、ディジタルマイクロミラーデバイス、テキサスインスツルメンツ社の登録商標)、回折格子を用いたもの(GLV:Grating Light Valve,グレーティングライトバルブ、SLM (シリコンライトマシン)社)等がある。
【0003】
GLVは回折格子をMEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 構造で作製し、静電力で10nsの高速ライトスイッチング素子を実現している。DMDは同じくMEMS構造でミラーを動かすことによりスイッチングを行うものである。これらのデバイスを用いてプロジェクタ等のディスプレイを実現できるものの、液晶とDMDは動作速度が遅いために、ライトバルブとしてディスプレイを実現するためには2次元配列としなければならず、構造が複雑となる。一方、GLVは高速駆動型であるので、1次元アレイを走査することでプロジェクションディスプレイを実現することができる。
【0004】
しかしながら、GLVは回折格子構造であるので、1ピクセルに対して6つの素子を作り込んだり、2方向に出た回折光を何らかの光学系で1つにまとめる必要があるなどの複雑さがある。
【0005】
簡単な構成で実現できるものとしては、米国特許公報5589974号や米国特許公報5500761号に開示されたものがある。このライトバルブは、基板(屈折率nS )の上に間隙部(ギャップ層)を挟んで、屈折率が√nS の透光性の薄膜を設けた構造を有している。この素子では、静電力を利用して薄膜を駆動し、基板と薄膜との間の距離、すなわち、間隙部の大きさを変化させることにより、光信号を透過あるいは反射させるものである。ここで、薄膜の屈折率は基板の屈折率nS に対して、√nS となっており、このような関係を満たすことにより、高コントラストの光変調を行うことができるとされている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような構成の素子では、基板の屈折率nS が「4」などの大きな値でなければ、可視光領域においては実現することはできないという問題がある。すなわち、透光性薄膜としては、構造体であることを考えると、窒化珪素(Si3 4 )(屈折率n=2.0)などの材料が望ましいので、その場合には基板の屈折率nS =4となる。可視光領域では、このような透明基板は入手が困難であり、材料の選択肢は狭い。赤外線等の通信用波長では、ゲルマニウム(Ge)(n=4)などを用いることにより実現可能であるが、ディスプレイなどの用途としては、現実的には適用することは難しいと思われる。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、簡単な構成で、小型軽量であると共に、構成材料の選択にも自由度があり、可視光領域においても高速応答が可能であり、画像表示装置に好適に用いることができる光学多層構造体を提供することにある。
【0008】
また、本発明の第2の目的は、上記光学多層構造体を用いた高速応答が可能な光スイッチング素子および画像表示装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学多層構造体は、明基板上に、前記透明基板に接する第1の透明層、第2の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第3の透明層および第4の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、透明基板をガラス基板、第1の透明層をTiO 2 膜およびMgF 2 膜からなる複合層、第2の透明層をTiO 2 膜、第3の透明層をTiO 2 膜、第4の透明層をMgF 2 膜によりそれぞれ構成すると共に間隙部を空気層とし、かつ第1の透明層、第2の透明層、第3の透明層および第4の透明層の光学的な膜厚を、λ/4あるいはλ/4の奇数倍(λは入射光の波長)とし、駆動手段によって、間隙部の光学的な大きさをλ/4の奇数倍とλ/4の偶数倍(0を含む)との間で2値的あるいは連続的に変化させることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を2値的あるいは連続的に変化させるようにしたものである。
【0011】
本発明による光スイッチング素子は、本発明の光学多層構造体と、この光学多層構造体における間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段とを備えたものである
【0012】
本発明による画像表示装置は、本発明による光スイッチング素子を複数個、1次元あるいは2次元に配列したものであり、3原色の光を照射し、スキャナによって走査することで2次元画像を表示するものである。
【0014】
本発明による光学多層構造体では、第1の透明層と第2の透明層との間の間隙部の大きさを、例えば「λ/2」(λは入射光の波長)より狭く、好ましくは「λ/4」と,「0」との間で切り替えることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量が変化し、広帯域な波長域にわたってほぼ均一な反射もしくは透過の特性が得られる。
【0015】
本発明による光スイッチング素子では、駆動手段によって、光学多層構造体の間隙部の光学的な大きさが変化することにより、入射光に対してスイッチング動作がなされる。
【0016】
本発明による画像表示装置では、1次元あるいは2次元に配列された本発明の複数の光スイッチング素子に対して光が照射されることによって2次元画像が表示される。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0018】
〔第1の実施の形態〕
図1および図2は、本発明の第1の実施の形態に係る光学多層構造体1の基本的な構成を表すものである。このうち図1は光学多層構造体1における後述の間隙部12が存在している状態、図2は光学多層構造体1の間隙部がないときの状態をそれぞれ示している。なお、この光学多層構造体1は具体的には例えば光スイッチング素子として用いられ,この光スイッチング素子を複数個1次元のアレイ状に配列することにより、画像表示装置を構成することができる。
【0019】
本実施の形態の光学多層構造体1は、非金属の透明材料からなる透明基板10の上に、この透明基板10に接する第1の透明層11、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさを変化させることのできる間隙部12、および第2の透明層13をこの順で配設して構成したものである。
【0020】
ここで、透明基板10の屈折率をnS 、第1の透明層11の屈折率をn1 、第2の透明層13の屈折率をn2 としたとき、下記の関係(1),(2)が成立するように設定されている。すなわち、この光学多層構造体1では、屈折率の関係が、透明基板10の上に高屈折率の第1の透明層11、間隙部12、低屈折率の第2の透明層13の順に配設されているものである。なお、この関係式が成立する理由については後述する。
【0021】
S <n1 、かつ、n1 >n2 ・・・(1)
【0022】
2 =n1 /√nS ・・・(2)
【0023】
具体的な材質は、透明基板10としては、例えば透明ガラス基板や透明プラスチック基板、第1の透明層11としては、酸化チタン(TiO2 )(n1 =2.4),窒化珪素(Si3 4 )(n1 =2.0),酸化亜鉛(ZnO)(n1 =2.0),酸化ニオブ(Nb2 5 )(n1 =2.2),酸化タンタル(Ta2 5 )(n1 =2.1),酸化珪素(SiO)(n1 =2.0),酸化スズ(SnO2 )(n1 =2.0),ITO(Indium-Tin Oxide) (n1 =2.0)、第2の透明層13としては酸化珪素(SiO2 )(n2 =1.46),酸化ビスマス(Bi2 3 )(n2 =1.91),フッ化マグネシウム(MgF2 )(n2 =1.38),アルミナ(Al2 3 )(n2 =1.67)などが挙げられる。
【0024】
第1の透明層11および第2の透明層13の光学的な膜厚d1 ,d2 は、「λ/4」、あるいは「λ/4の奇数倍」(λは入射光の波長)である。なお、これら膜厚d1 ,d2 は厳密に「λ/4」でなくとも、λ/4の近傍の値でもよい。これは、例えば、第1の透明層11の光学膜厚がλ/4より厚くなった分、第2の透明層13を薄くするなどして補完できるからであり、また、上式(2)から屈折率が多少ずれた場合でも、膜厚で調整可能な場合もあり、その際にはd1 ,d2 がλ/4から多少ずれることになるからである。このことは他の実施の形態においても同様である。よって、本明細書においては、「λ/4」の表現には「ほぼλ/4」の場合も含まれるものとする。
【0025】
なお、第1の透明層11および第2の透明層13は、互いに光学的特性の異なる2以上の層で構成された複合層としてもよいが、この場合には複合層における合成した光学的特性(光学アドミッタンス)が単層の場合と同等な特性を有するものとする必要がある。
【0026】
間隙部12は、後述の駆動手段によって、その大きさ(第1の透明層11と第2の透明層13との間隔)が可変である。間隙部12を埋める媒体は、透明であれば気体でも液体でもよい。気体としては、例えば、空気(ナトリウムD線(589.3nm)に対する屈折率nD =1.0)、窒素(N2 )(nD =1.0)など、液体としては、水(nD =1.333)、シリコーンオイル(nD =1.4〜1.7)、エチルアルコール(nD =1.3618)、グリセリン(nD =1.4730)、ジョードメタン(nD =1.737)などが挙げられる。なお、間隙部12を真空状態とすることもできる。
【0027】
間隙部12の光学的な大きさは、「λ/4の奇数倍」と「λ/4の偶数倍(0を含む)」との間で、2値的あるいは連続的に変化するものである。これにより入射光の反射もしくは透過の量が2値的あるいは連続的に変化する。なお、上記第1の透明層11および第2の透明層13の膜厚の場合と同様に、λ/4の倍数から多少ずれても、他の層の膜厚あるいは屈折率の多少の変化で補完できるので、「λ/4」の表現には、「ほぼλ/4」の場合も含まれるものとする。
【0028】
上記間隙部12を有する光学多層構造体1は、図3および図4に示した製造プロセスにより作製することができる。まず、図3(A)に示したように例えばガラスからなる透明基板10の上に、例えばスパッタリング法によりTiO2 からなる第1の透明層11を形成し、次いで,図3(B)に示したように例えばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長 )法により犠牲層としての非晶質シリコン(a−Si)膜12aを形成する。続いて、図3(C)に示したように、間隙部12のパターン形状を有するフォトレジスト膜14を形成し、図3(D)に示したようにこのフォトレジスト膜14をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching) により非晶質シリコン(a−Si)膜12aを選択的に除去する。
【0029】
次に、図4(A)に示したようにフォトレジスト膜14を除去した後、図4(B)に示したように例えばスパッタリング法によりBi2 3 からなる第2の透明層13を形成する。次いで、図4(C)に示したように、ドライエッチングにより非晶質シリコン(a−Si)膜12aを除去する。これにより、間隙部12を備えた光学多層構造体1を作製することができる。
【0030】
本実施の形態の光学多層構造体1では、間隙部12の光学的な大きさを変化させることで、透明基板10側もしくは透明基板10と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量を変化させるものである。具体的には、間隙部12の光学的な大きさを、λ/4の奇数倍とλ/4の偶数倍(0を含む)との間(例えば、「λ/4」と「0」との間)で、2値的あるいは連続的に変化させることによって、入射光の反射もしくは透過の量を2値的あるいは連続的に変化させるものである。
【0031】
次に、図5(A),(B)および図6(A),(B)を参照して、上記式(1),(2)の意義について説明する。
【0032】
上記のような光学多層構造体1のフィルタ特性は、光学アドミッタンスによって説明することができる。光学アドミッタンスyは、複素屈折率N(=n−i・k、nは屈折率,kは消衰係数)と値が同じである。例えば、空気のアドミッタンスはy(air) =1 、n(air) =1 、ガラスのアドミッタンスはy(glass) =1.52、n(glass) =1.52である。
【0033】
透明な基板上に透明な光学膜を形成すると、図5(B)に示したような光学アドミッタンスダイヤグラム上で、膜厚の増加に伴い円弧を描いて軌跡が移動する。ここに、横軸はアドミッタンスの実軸(Re ),縦軸はアドミッタンスの虚軸(Im )をそれぞれ示している。例えば、n=y=1.52のガラス基板上にn=y=2.40のTiO2 などを成膜すると、その合成光学アドミッタンスの軌跡は、膜厚の増加に伴ってy=1.52の点から円弧を描きながら移動する。もし、TiO2 の光学的な膜厚がλ/4のときには、合成アドミッタンスの軌跡は実軸上の3.79の点に帰着する(λ/4法則)。これはガラス基板(透明基板)上にλ/4の膜厚のTiO2 膜(第1の透明層)を成膜したときの合成アドミッタンスである。つまり、この構造体を上から見ると、あたかもn=3.79の一体の基板を見ているのと同じようになる。このときの反射率は、空気との界面では次式(3)で求まるので、反射率R=33.9%となる。
【0034】
R=(n−1/n+1)2 ・・・(3)
【0035】
次に、この光学多層構造体の上に、更に、n=y=1.947の膜(第2の透明層)を光学膜厚=λ/4だけ成膜すると、光学アドミッタンスダイヤグラム上では、3.79の点から右回りに軌跡が移動する。その合成アドミッタンスは、Y=1.0となり、実軸上の1.0の点となる。すなわち、これは合成アドミッタンス=合成屈折率が1.0と同等、つまり空気と同等となるので、その界面では反射がなくなり、所謂Vコートの反射防止膜とみなすことができる。これが光学多層構造体1が図2に示した状態のときの反射特性である。
【0036】
一方、上記TiO2 膜(n=2.4)(第1の透明層)の膜の上に、n=1(空気)の間隙部を光学膜厚=λ/4だけ設けた場合には、その合成アドミッタンスは、図6(A),(B)に示したように、Y2 =0.2638となる。更に、その間隙部上にn=y=1.947の膜(第2の透明層)光学膜厚=λ/4だけ存在すると、その合成アドミッタンスは、Y3 =14.37となり、実軸上の14.37の点となる。そのときの反射率は上記(3)式のnをY3 =14.37として求まり、このとき反射率R=76%となる。これが光学多層構造体1が図1に示した状態のときの特性である。以上のことから、間隙部12の空気層を「0」から「λ/4」の光学膜厚まで変化させる(すなわち、図2の状態から図1の状態へと切り換える)と、反射率は「0%」から「76%」へと変化することがわかる。
【0037】
ここで、Y1 =n1 2/ns 、Y3 ’=n2 2 /Y1 =n2 2・ns /n1 (図5(A)参照)である。このような特性を実現するためには、Y3 ’=1.0(空気のアドミッタンス)とすれば良いので、n2 2・ns /n1 2=1.0、つまり、前述の式(2)、すなわち n2 =n1 /√nS の関係が成立すればよい。なお、これら屈折率が厳密にこの関係になくても、膜厚等で多少は補完することは可能である。
【0038】
〔具体例〕
図7(A),(B)は本実施の形態の光学多層構造体1において、透明基板10としてガラス基板(nS =1.52)、第1の透明層11としてTiO2 膜(n1 =2.32)、間隙層12として空気層(nD =1.00)、第2の透明層13としてBi2 3 膜(屈折率n2 =1.92)を用いた場合の入射光の波長(設計波長550nm)と反射率との関係を表すものである。ここで、図7(A)は間隙部(空気層)の光学膜厚が「λ/2」(物理的厚さ=275nm)と「λ/4」(137.5nm)の場合、図7(B)は間隙部(空気層)の光学膜厚が「0」と「λ/4」の場合の特性をそれぞれ表している。
【0039】
図8(A)〜(C)はこれらの光学アドミッタンスダイヤグラムを表すものであり、図8(A)は間隙部(空気層)の光学膜厚が「λ/2」、図8(B)は間隙部(空気層)の光学膜厚が「λ/4」、図8(C)は間隙部(空気層)の光学膜厚が「0」の場合をそれぞれ示している。
【0040】
図7に示した特性図からも明らかなように、本実施の形態の光学多層構造体1では、間隙部(空気層)12の光学膜厚が「λ/2」の場合には入射光(波長λ)に対して低反射特性、間隙部12の光学膜厚が「λ/4」の場合には高反射特性、間隙部12の光学膜厚が0の場合には低反射特性をそれぞれ示すことが分かる。すなわち、間隙部12の光学膜厚が「λ/4」の奇数倍と、「λ/4」の偶数倍(0を含む)との間で切り替わると、高反射特性と低反射特性とを交互に示すことになる。なお,同じ低反射特性であっても、光学膜厚が「λ/2」の場合には特定波長(550nm)に対してVコート反射特性を示すが、光学膜厚が「0」となると、V字特性がなだらかになり、平坦に近くなり反射率0%の帯域が広くなってくる。
【0041】
このように本実施の形態では、例えば550nmなどの可視光領域においても、高コントラストな変調を行うことができる。しかも、簡単な構成であり、可動部分の移動範囲も高々「λ/2」であるため、高速応答が可能になる。従って、この光学多層構造体1を用いることにより、高速な光スイッチング素子および画像表示装置を実現することができる。
【0042】
〔第2の実施の形態〕
次に、図9および図10を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、特定の波長域において反射特性を変化させることのできる構造について説明したが、本実施の形態では、一定の幅をもった(フラットな)広帯域の波長域においてほぼ均一に反射特性を変化させることができるようにしたものである。
【0043】
本実施の形態の光学多層構造体2は、非金属の透明材料からなる透明基板20上に、この透明基板20に接する第1の透明層21、第2の透明層22、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部23、第3の透明層24および第4の透明層25をこの順で配設してなるものである。ここで、図9は光学多層構造体2における後述の間隙部23が存在している状態、図10は光学多層構造体2の間隙部がないときの状態をそれぞれ示している。
【0044】
本実施の形態では、透明基板20の屈折率をnS 、第1の透明層の屈折率をn1 、第2の透明層の屈折率をn2 、第3の透明層の屈折率をn3 、第4の透明層の屈折率をn4 としたとき、以下の式(4)の関係が成立するように設定されている。
【0045】
S <n1 <n2 ≒n3 、かつn4 <n1 ・・・(4)
【0046】
具体的な材質は、透明基板20としては、例えば透明ガラス基板や透明プラスチック基板、第1の透明層21としてはAl2 3 膜(n1 =1.67)、第2の透明層22としてはTiO2 膜(n2 =2.4)、第3の透明層24としてはTiO2 膜(n3 =2.4)、第4の透明層25としてはMgF2 膜(n4 =1.38)などが挙げられる。第1の透明層21ないし第4の透明層25の光学的な膜厚n1 1 ,n2 2 ,n3 3 ,n4 4 は、「λ/4」、あるいは「λ/4の奇数倍」(λは入射光の波長)である。
【0047】
第1の透明層21ないし第4の透明層25は、光学的特性の異なる2以上の層で構成された複合層としてもよいが、この場合には複合層における合成した光学的特性(光学アドミッタンス)が単層の場合と同等な特性を有するものとする必要がある。
【0048】
間隙部23は、第1の実施の形態の間隙部12と同様に、後述の駆動手段によって、その大きさ(第2の透明層22と第3の透明層24との間隔)が可変である。間隙部23を埋める媒体は間隙部12の場合と同様である。
【0049】
本実施の形態の光学多層構造体2では、上記(4)式が成立することから、反射特性を広帯域に得られると共に、間隙部23の大きさを変化させることで、透明基板20側もしくは透明基板20と反対側より入射した光の反射もしくは透過の量を変化させるものであり、より具体的には、第1の実施の形態と同様に、間隙部23の光学的な大きさを、「λ/4の奇数倍」と「λ/4の偶数倍(0を含む)」との間で、2値的あるいは連続的に変化させることで、入射光の反射もしくは透過の量を2値的あるいは連続的に変化させるものである。
【0050】
図11は本実施の形態の光学多層構造体2において、透明基板20としてガラス基板(nS =1.52)、第1の透明層21としてTiO2 膜およびMgF2 (フッ化マグネシウム)膜(複合屈折率n1 =1.7,複合膜厚λ/4に相当)からなる複合層、第2の透明層22としてTiO2 膜(屈折率n2 =2.32)、間隙層23として空気層、第3の透明層24としてTiO2 膜(屈折率n3 =2.32)、第4の透明層25としてMgF2 膜(屈折率n4 =1.38)を用いた場合の入射光の波長(設計波長)と反射率との関係を示す特性図である。ここで、図11は間隙部(空気層)23の光学膜厚が「λ/4」(物理的厚さ=137.5nm)の場合の特性と、間隙部(空気層)23の光学膜厚が「0」の場合の特性をそれぞれ示している。
【0051】
なお、図12(A),(B)はこれらの光学アドミッタンスダイヤグラムを表すものであり、図12(A)は間隙部(空気層)23の光学膜厚が「0」、図12(B)は間隙部(空気層)23の光学膜厚が「λ/4」の場合をそれぞれ示している。
【0052】
図11の特性図からも明らかなように、本実施の形態の光学多層構造体2では、間隙部(空気層)23の光学膜厚が「λ/4」の場合には広い帯域に渡って高反射特性(ほぼ60%)、間隙部23の光学膜厚が「0」の場合には広帯域に渡って平坦な低反射特性(ほぼ0%)をそれぞれ示すことが分かる。
【0053】
〔変形例〕
図13に示した光学多層構造体は、ガラスからなる透明基板10の上に膜厚例えば100nm以上の金属膜、アルミニウム(Al)層10aを形成し、第1の透明層11を膜厚52.67nmのTiO2 膜、第2の透明層13を、膜厚32.29nmのTiO2 膜13a、膜厚114.72nmのSiO2 膜13b、膜厚53.08nmのTiO2 膜13cおよび膜厚19.53nmのSiO2 膜13dからなる多層膜により形成したものである。アルミニウム層10aが100nm以上になると光の透過は殆ど0である。また、透過のないものに反射防止膜を設けるということは、反射が0になり、光のすべてがアルミニウム層10aに吸収されることを意味する。更に、アルミニウム自体の特性から、反射防止の特性を崩した際の高反射状態での反射率を少ない層数で100%近くにすることが設計上容易になる。
【0054】
図14は、この光学多層構造体において、間隙部12を変化させたときのシミュレーションの結果を表すものである。入射光はアルミニウム層10aの反対側(最上層のSiO2 膜13d側)より入射する。なお、間隙部12は、最上層から2番目のSiO2 膜13bのところに置き換えても、同様の特性を得ることができる。図15はそのときの反射特性を表すものである。このときの設計波長は550nmで、各層の膜厚を図中に示した。
【0055】
図14および図15での間隙部12は屈折率1.0の空気若しくは真空を想定しているが、これを実験的に行うのは多少複雑なプロセスを必要とするので、間隙部の代わりに、低屈折率材料のSiO2 を用いて実験を行った。このときの膜構成は図16に示したとおりであり、図17にそのシミュレーションの結果を、また、実際に成膜したものの測定結果を図18および図19にそれぞれ示す。これによりシミュレーションの結果と実際の測定結果とはよく一致していることが分かる。このとき光はガラス基板側より入射される設定となっているので、表面での4%程度の反射が実測値では大きくなっている。それ以外の多少のずれは、成膜中に光学的にモニタリングしながら膜厚をコントロールすることでなくすことができる。
【0056】
図20は図13に示した光学多層構造体において、間隙部12を386nm、また図21は同じく1485nmにした場合の反射特性をそれぞれ表すものである。図20および図21における低反射帯の幅は、図14の例(間隙部12は110.46nm)より狭くなっていることが分かる。すなわち、間隙部12が大きくなるほど、特に1500nm以上では、低反射域の幅が狭くなり、製造時にマージンが低くなり、かなり扱いづらくなる。そのため、間隙部12の大きさとしては、1500nm未満、好ましくは500nm以内である。この程度であれば、さほど問題なく作製することができる。
【0057】
図22に示した光学多層構造体は、ガラスからなる透明基板10の上に直接、第1の透明層11を膜厚40.89nmのTiO2 膜、第2の透明層13を膜厚32.62nmのTiO2 膜13a、膜厚77.14nmのSiO2 膜13b、膜厚39.40nmのTiO2 膜13cおよび膜厚163.13nmのSiO2 膜13dからなる多層膜により形成したものである。図23はそのシミュレーションの結果を表すものである。このときの設計波長は550nmとした。図13の例とは異なり、透明基板10上に光吸収膜(アルミニウム層)がないため、反射帯域での反射率は低いが、透過光が多層構造に吸収されずに抜けて行くので、構造体自体が熱を持つことを防ぐことができる。
【0058】
以上の実施の形態では、光学多層構造体の間隙部を一層としたが、複数層、例えば図24に示したように2層設けるようにしてもよい。すなわち、透明基板10上に、第1の透明層11、第1の間隙部12、第2の透明層13、第2の間隙部30、第3の透明層31をこの順に形成し、第2の透明層13および第3の透明層31をそれぞれ例えば窒化シリコンからなる支持体15,32により支持したものである。
【0059】
この光学多層構造体では、中間の第2の透明層13が上下に変位し、第1の間隙部12と第2の間隙部30の一方の間隙が狭くなった分、他方の間隙部が広まることにより反射特性が変化する。
【0060】
〔駆動方法〕
次に、上記光学多層構造体1,2における間隙部12,23の大きさを変化させるための具体的な手段について説明する。
【0061】
図25は、静電気により光学多層構造体を駆動する例を示している。この光学多層構造体は、透明基板10の上の第1の透明層11の両側にそれぞれ例えばアルミニウムからなる電極16a,16aを設けると共に、第2の透明層13を例えば窒化シリコン(Si3 4 )からなる支持体15により支持し、この支持体15の電極16a,16aに対向する位置に電極16b,16bを形成したものである。
【0062】
この光学多層構造体では、電極16a,16aおよび電極16b,16bへの電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部12の光学膜厚を、例えば「λ/4」と、「0」との間、あるいは「λ/4」と「λ/2」との間で2値的に切り替える。勿論、電極16a,16a、電極16b,16bへの電圧印加を連続的に変化させることにより、間隙部12の大きさをある値の範囲で連続的に変化させ、入射した光の反射、若しくは透過あるいは吸収等の量を連続的(アナログ的)に変化させるようにすることもできる。
【0063】
光学多層構造体を静電気で駆動するものとしては、その他、図26および図27に示した方法によってもよい。図26に示した光学多層構造体1は、透明基板10の上の第1の透明層11上に例えばITO(Indium-Tin Oxide) からなる透明導電膜17aを設けると共に、例えばSiO2 からなる第2の透明層13を架橋構造に形成し、この第2の透明層13の内面に同じくITOからなる透明導電膜17bを設けたものである。
【0064】
この光学多層構造体では、透明導電膜17a,17b間への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部12の光学膜厚を切り替えることができる。
【0065】
図27に示した光学多層構造体では、図26の光学多層構造体の透明導電膜17aの代わりに、第1の透明層12と透明基板10との間に例えばアルミニウム(Al)からなる導電膜17cを設けたものである。
【0066】
光学多層構造体の駆動は、このような静電気の他、トグル機構や圧電素子などのマイクロマシンを用いる方法、磁力を用いる方法や、形状記憶合金を用いる方法など、種々考えられる。図28(A),(B)は磁力を用いて駆動する態様を示したものである。この光学多層構造体では、第2の透明層13の上に開孔部を有するコバルト(Co)などの磁性材料からなる磁性層40を設けると共に透明基板10の下部に電磁コイル41を設けたものであり、この電磁コイル41のオン・オフの切り替えにより、間隙部12の間隔を例えば「λ/2」(図28(A))と「0」(図28(B))との間で切り替え、これにより反射率を変化させることができる。
【0067】
〔光スイッチング装置〕
【0068】
図29は、上記光学多層構造体1を用いた光スイッチング装置100の構成を表すものである。光スイッチング装置100は、例えばガラスからなる透明基板101上に複数(図では4個)の光スイッチング素子100A〜100Dを一次元アレイ状に配設したものである。なお、1次元に限らず、2次元に配列した構成としてもよい。この光スイッチング装置100では、透明基板101の表面の一方向(素子配列方向)に沿って例えばTiO2 膜102が形成されている。TiO2 膜102上には、例えばITO(Indium-Tin Oxide: インジウムと錫の酸化物混合膜)膜103が形成されている。これらTiO2 膜102およびITO膜103が第1の実施の形態の第1の透明層に対応するものである。
【0069】
透明基板101上には、TiO2 膜102およびITO膜103に対して直交する方向に、複数本のBi2 3 膜105が配設されている。Bi2 3 膜105の外側には透明導電膜としてのITO膜106が形成されている。これらITO膜106およびBi2 3 膜105が第1の実施の形態の第2の透明層に対応するもので、ITO膜103を跨ぐ位置において架橋構造となっている。第1の透明層および第2の透明層の光学的な膜厚は、例えば「λ/4」(λは入射光の波長(550nm))である。ITO膜103とITO膜106との間には、スイッチング動作(オン・オフ)に応じてその大きさが変化する間隙部104が設けられている。間隙部104の光学膜厚は、入射光の波長(λ=550nm)に対しては、例えば「λ/4」(137.5nm)と「0」との間で変化するようになっている。
【0070】
光スイッチング素子100A〜100Dは、透明導電膜(ITO膜103,106)への電圧印加による電位差で生じた静電引力によって、間隙部104の光学膜厚を、例えば「λ/4」と「0」との間で切り替える。図29では、光スイッチング素子100A,100Cが間隙部104が「0」の状態(すなわち、低反射状態)、光スイッチング素子100B,100Dが間隙部104が「λ/4」の状態(すなわち、高反射状態)を示している。なお、透明導電膜(ITO膜103,106)と電圧印加装置(図示せず)とにより、本発明の「駆動手段」を構成している。
【0071】
この光スイッチング装置100では、第1の透明層側のITO膜103を接地して電位を0Vとし、第2の透明層側に形成されたITO膜106に例えば+12Vの電圧を印加すると、その電位差によりITO膜103,106間に静電引力が発生し、図29では光スイッチング素子100A,100CのようにITO膜103,106が密着し、間隙部104が「0」の状態となる。この状態では、入射光P1 は上記多層構造体を透過し、更に透明基板21を通過して透過光P2 となる。
【0072】
次に、第2の透明層側の透明導電膜106を接地させ電位を0Vにすると、ITO膜103,106間の静電引力がなくなり、図29では光スイッチング素子100B,100DのようにITO膜103,106間が離間して、間隙部12が「λ/4」の状態となる。この状態では、入射光P1 は反射され、反射光P3 となる。
【0073】
このようにして、本実施の形態では、光スイッチング素子100A〜100D各々において、入射光P1 を静電力により間隙部を2値に切り替えることによって、透過光P2 および反射光P3 の2方向に切り替えて取り出すことができる。勿論、前述のように間隙部の大きさを連続的に変化させることにより、入射光P1 を透過光P2 から反射光P3 に連続的に切り替えることも可能である。
【0074】
これら光スイッチング素子100A〜100Dでは、可動部分の動かなくてはならない距離が、大きくても入射光の「λ/2(あるいはλ/4)」程度であるため、応答速度が10ns程度に十分高速である。よって、一次元アレイ構造で表示用のライトバルブを実現することができる。
【0075】
加えて、本実施の形態では、1ピクセルに複数の光スイッチング素子を割り当てれば、それぞれ独立に駆動可能であるため、画像表示装置として画像表示の階調表示を行う場合に、時分割による方法だけではなく、面積による階調表示も可能である。
【0076】
〔画像表示装置〕
図30は、上記光スイッチング装置100を用いた画像表示装置の一例として、プロジェクションディスプレイの構成を表すものである。ここでは、光スイッチング素子100A〜100Dからの反射光P3 を画像表示に使用する例について説明する。
【0077】
このプロジェクションディスプレイは、赤(R),緑(G),青(B)各色のレーザからなる光源200a,200b,200cと、各光源に対応して設けられた光スイッチング素子アレイ201a,201b,201c、ダイクロイックミラー202a,202b,202c、プロジェクションレンズ203、1軸スキャナとしてのガルバノミラー204および投射スクリーン205を備えている。なお、3原色は、赤緑青の他、シアン,マゼンダ,イエローとしてもよい。スイッチング素子アレイ201a,201b,201cはそれぞれ、上記スイッチング素子を紙面に対して垂直な方向に複数、必要画素数分、例えば1000個を1次元に配列したものであり、これによりライトバルブを構成している。
【0078】
このプロジェクションディスプレイでは、RGB各色の光源200a,200b,200cから出た光は、それぞれ光スイッチング素子アレイ201a,201b,201cに入射される。なお、この入射角は偏光の影響がでないように、なるべく0に近くし、垂直に入射させるようにすることが好ましい。各光スイッチング素子からの反射光P3 は、ダイクロイックミラー202a,202b,202cによりプロジェクションレンズ203に集光される。プロジェクションレンズ203で集光された光は、ガルバノミラー204によりスキャンされ、投射スクリーン205上に2次元の画像として投影される。
【0079】
このように、このプロジェクションディスプレイでは、複数個の光スイッチング素子を1次元に配列し、RGBの光をそれぞれ照射し、スイッチング後の光を1軸スキャナにより走査することによって、2次元画像を表示することができる。
【0080】
また、本実施の形態では、低反射時の反射率を0.1%以下、高反射時の反射率を70%以上とすることができるので、1,000対1程度の高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組み立てる際に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単である。
【0081】
以上実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および変形例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、光源としてレーザを用いて一次元アレイ状のライトバルブを走査する構成のディスプレイについて説明したが、図31に示したように、二次元状に配列された光スイッチング装置206に白色光源207からの光を照射して投射スクリーン208に画像の表示を行う構成とすることもできる。
【0082】
また、上記実施の形態では、透明基板としてガラス基板を用いる例について説明したが、図32に示したように、例えば厚さ2mm以内の柔軟性を有する(フレキシブルな)基板209を用いたペーパ−状のディスプレイとし、直視により画像を見ることができるようにしてもよい。
【0083】
更に、上記実施の形態では、本発明の光学多層構造体をディスプレイに用いた例について説明したが、例えば光プリンタに用いて感光性ドラムへの画像の描きこみをする等、ディスプレイ以外の光プリンタなどの各種デバイスにも適用することも可能である。
【0084】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光学多層構造体および光スイッチング素子によれば、間隙部の大きさを変化させることにより、透明基板側もしくは透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を変化させることができ、簡単な構成で、特に可視光領域においても、高速応答が可能になる。
【0085】
また、本発明の画像表示装置によれば、本発明の光スイッチング素子を1次元に配列し、この1次元アレイ構造の光スイッチング装置を用いて画像表示を行うようにしたので、高コントラストの表示を行うことができると共に、素子に対して光が垂直に入射する位置で特性を出すことができるので、光学系を組み立てる場合に、偏光等を考慮にする必要がなく、構成が簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る光学多層構造体の間隙部が「λ/4」のときの構成を表す断面図である。
【図2】図1に示した光学多層構造体の間隙部が「0」のときの構成を表す断面図である。
【図3】 図1に示した光学多層構造体の製造工程を説明するための断面図である。
【図4】図3の工程に続く工程を説明するための平面図である。
【図5】図1に示した光学多層構造体の間隙部が「0」の場合の特性を説明するための図である。
【図6】図1に示した光学多層構造体の間隙部が「λ/4」の場合の特性を説明するための図である。
【図7】図1に示した光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図8】図7の反射特性(光学アドミッタンス)を説明するための図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係る光学多層構造体の間隙部が「λ/4」のときの構成を表す断面図である。
【図10】図9に示した光学多層構造体の間隙部が「0」のときの構成を表す断面図である。
【図11】図9に示した光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図12】図11の光学多層構造体の反射特性(光学アドミッタンス)を説明するための図である。
【図13】第1の実施の形態の変形例を説明するための断面図である。
【図14】図13の光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図15】図13の光学多層構造体の反射特性を表す図である。
【図16】第1の実施の形態の他の変形例を説明するための断面図である。
【図17】図16の光学多層構造体の反射特性(シミュレーション)を表す図である。
【図18】図16の光学多層構造体の反射特性(実測値)を表す図である。
【図19】図16の光学多層構造体の反射特性(実測値)を表す図である。
【図20】図13に示した光学多層構造体の他の反射特性を表す図である。
【図21】図13に示した光学多層構造体の他の反射特性を表す図である。
【図22】第1の実施の形態の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図23】図22の光学多層構造体の反射特性(シミュレーション)を表す図である。
【図24】第1の実施の形態の更に他の変形例を説明するための断面図である。
【図25】光学多層構造体の静電気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図26】光学多層構造体の静電気による他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図27】光学多層構造体の静電気による更に他の駆動方法を説明するための断面図である。
【図28】光学多層構造体の磁気による駆動方法を説明するための断面図である。
【図29】光スイッチング装置の一例の構成を表す図である。
【図30】ディスプレイの一例の構成を表す図である。
【図31】ディスプレイの他の例を表す図である。
【図32】ペーパー状ディスプレイの構成図である。
【符号の説明】
1,2…光学多層構造体、10…透明基板、11,21…第1の透明層、12,23…間隙部、13,22…第2の透明層、24…第3の透明層、25…第4の透明層、100─光スイッチング装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical multilayer structure having a function of reflecting or transmitting incident light, an optical switching element using the same, and an image display device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the importance of a display as a display device for video information has increased, and as an element for this display, an optical switching element (such as an optical communication, optical storage device, optical printer, etc.) that operates at high speed ( Development of light bulbs is demanded. Conventionally, as this type of element, those using liquid crystals, those using micromirrors (DMD; Digital Micro Miror Device, digital micromirror device, registered trademark of Texas Instruments Incorporated), those using diffraction gratings (GLV) : Grating Light Valve, SLM (Silicon Light Machine).
[0003]
In GLV, a diffraction grating is manufactured with a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure, and a high-speed light switching element of 10 ns is realized with electrostatic force. The DMD also performs switching by moving a mirror in the MEMS structure. Although a display such as a projector can be realized using these devices, the liquid crystal and the DMD have a low operation speed. Therefore, in order to realize a display as a light valve, a two-dimensional arrangement is required, and the structure becomes complicated. . On the other hand, since the GLV is a high-speed drive type, a projection display can be realized by scanning a one-dimensional array.
[0004]
However, since the GLV has a diffraction grating structure, there are complexity such that it is necessary to make six elements for one pixel and to combine the diffracted light emitted in two directions into one by some optical system.
[0005]
  Examples of what can be realized with a simple configuration include those disclosed in US Pat. No. 5,589,974 and US Pat. This light valve, GroupPlate (refractive index nS) With a refractive index of √nSThe light-transmitting thin film is provided. In this element, an optical signal is transmitted or reflected by driving the thin film using electrostatic force and changing the distance between the substrate and the thin film, that is, the size of the gap. Here, the refractive index of the thin film is the refractive index n of the substrate.S√nSIt is said that high contrast light modulation can be performed by satisfying such a relationship.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the element configured as described above, the refractive index n of the substrateSIf is not a large value such as “4”, there is a problem that it cannot be realized in the visible light region. That is, when considering that it is a structure as a light-transmitting thin film, silicon nitride (SiThreeNFour) (Refractive index n = 2.0) is desirable, and in that case, the refractive index n of the substrateS= 4. In the visible light region, such a transparent substrate is difficult to obtain and the choice of materials is narrow. In communication wavelengths such as infrared rays, it can be realized by using germanium (Ge) (n = 4) or the like. However, it is considered that it is difficult to apply in practical use as a display or the like.
[0007]
The present invention has been made in view of such problems, and a first object thereof is a simple configuration, a small size and a light weight, and flexibility in selection of constituent materials, and a high-speed response even in the visible light region. It is possible to provide an optical multilayer structure that can be suitably used for an image display device.
[0008]
A second object of the present invention is to provide an optical switching element and an image display device capable of high-speed response using the optical multilayer structure.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The optical multilayer structure according to the present invention comprises:TransparencyOn the bright substrate, the first transparent layer and the second transparent layer in contact with the transparent substrate, having a size capable of causing a light interference phenomenon and having a variable size, a third transparent layer, and a second transparent layer 4 transparent layersThisIt has a structure arranged in the order ofAnd a driving means for changing the optical size of the gap, the transparent substrate being a glass substrate, and the first transparent layer being a TiO 2 2 Membrane and MgF 2 Composite layer consisting of film, second transparent layer as TiO 2 TiO 2 film and third transparent layer 2 The film and the fourth transparent layer are MgF 2 The optical film thickness of each of the first transparent layer, the second transparent layer, the third transparent layer, and the fourth transparent layer is set to λ / 4 or λ. / 4 is an odd multiple (λ is the wavelength of the incident light), and the optical size of the gap is set between the odd multiple of λ / 4 and the even multiple of λ / 4 (including 0) by the driving means. By changing binary or continuously, the amount of reflection or transmission of visible light incident from the transparent substrate side or the opposite side of the transparent substrate is changed binaryly or continuously.It is what I did.
[0011]
  According to the present inventionLightThe switching element of the present inventionLight ofA multilayer structure and a driving means for changing the optical size of the gap in the optical multilayer structure.is there.
[0012]
  According to the present inventionPaintingAn image display device according to the present invention.LightA plurality of switching elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a two-dimensional image is displayed by irradiating light of three primary colors and scanning with a scanner.
[0014]
  According to the present inventionLightIn the multi-layered structure, the size of the gap between the first transparent layer and the second transparent layer is narrower than, for example, “λ / 2” (λ is the wavelength of incident light), preferably “λ / Switching between “4” and “0” changes the amount of reflection or transmission of light incident from the transparent substrate side or the opposite side of the transparent substrate.And wideA substantially uniform reflection or transmission characteristic can be obtained over a wide wavelength range.
[0015]
  According to the present inventionLightIn the switching element, the switching operation is performed on the incident light by changing the optical size of the gap portion of the optical multilayer structure by the driving means.
[0016]
  According to the present inventionPaintingIn the image display device, a two-dimensional image is displayed by irradiating a plurality of optical switching elements of the present invention arranged one-dimensionally or two-dimensionally with light.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
[First Embodiment]
1 and 2 show a basic configuration of the optical multilayer structure 1 according to the first embodiment of the present invention. Of these, FIG. 1 shows a state in which a later-described gap portion 12 exists in the optical multilayer structure 1, and FIG. 2 shows a state in which there is no gap portion in the optical multilayer structure 1. The optical multilayer structure 1 is specifically used as, for example, an optical switching element, and an image display device can be configured by arranging a plurality of optical switching elements in a one-dimensional array.
[0019]
The optical multilayer structure 1 of the present embodiment has a first transparent layer 11 in contact with the transparent substrate 10 on a transparent substrate 10 made of a nonmetallic transparent material, and has a size capable of causing a light interference phenomenon. In addition, the gap portion 12 whose size can be changed and the second transparent layer 13 are arranged in this order.
[0020]
Here, the refractive index of the transparent substrate 10 is nS, The refractive index of the first transparent layer 11 is n1, The refractive index of the second transparent layer 13 is n2, The following relations (1) and (2) are established. That is, in this optical multilayer structure 1, the refractive index relationship is arranged on the transparent substrate 10 in the order of the first transparent layer 11 having a high refractive index, the gap portion 12, and the second transparent layer 13 having a low refractive index. It has been established. The reason why this relational expression is established will be described later.
[0021]
nS<N1And n1> N2... (1)
[0022]
n2= N1/ √nS... (2)
[0023]
Specific materials include, for example, a transparent glass substrate or a transparent plastic substrate as the transparent substrate 10, and titanium oxide (TiO 2) as the first transparent layer 11.2) (N1= 2.4), silicon nitride (SiThreeNFour) (N1= 2.0), zinc oxide (ZnO) (n1= 2.0), niobium oxide (Nb)2OFive) (N1= 2.2), tantalum oxide (Ta2OFive) (N1= 2.1), silicon oxide (SiO) (n1= 2.0), tin oxide (SnO2) (N1= 2.0), ITO (Indium-Tin Oxide) (n1= 2.0), and the second transparent layer 13 is silicon oxide (SiO 2).2) (N2= 1.46), bismuth oxide (Bi2OThree) (N2= 1.91), magnesium fluoride (MgF)2) (N2= 1.38), alumina (Al2OThree) (N2= 1.67).
[0024]
Optical film thickness d of the first transparent layer 11 and the second transparent layer 131, D2Is “λ / 4” or “odd multiple of λ / 4” (λ is the wavelength of the incident light). These film thicknesses d1, D2May not be strictly “λ / 4” but may be a value in the vicinity of λ / 4. This is because, for example, the optical thickness of the first transparent layer 11 is thicker than λ / 4, so that the second transparent layer 13 can be made thinner, etc., and the above equation (2). Even if the refractive index is slightly deviated from, the film thickness may be adjustable.1, D2Is slightly deviated from λ / 4. The same applies to other embodiments. Therefore, in this specification, the expression “λ / 4” includes the case of “approximately λ / 4”.
[0025]
The first transparent layer 11 and the second transparent layer 13 may be a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics. In this case, the synthesized optical characteristics in the composite layer are used. (Optical admittance) needs to have the same characteristics as in the case of a single layer.
[0026]
The size of the gap portion 12 (the distance between the first transparent layer 11 and the second transparent layer 13) can be changed by a driving unit described later. The medium that fills the gap 12 may be gas or liquid as long as it is transparent. Examples of the gas include air (refractive index n with respect to sodium D line (589.3 nm)).D= 1.0), nitrogen (N2) (ND= 1.0) and the like as water (nD= 1.333), silicone oil (nD= 1.4-1.7), ethyl alcohol (nD= 1.3618), glycerin (nD= 1.4730), Joodomethane (nD= 1.737). The gap 12 can be in a vacuum state.
[0027]
The optical size of the gap 12 changes in a binary or continuous manner between “odd multiple of λ / 4” and “even multiple of λ / 4 (including 0)”. . As a result, the amount of reflected or transmitted incident light changes in a binary or continuous manner. As in the case of the film thicknesses of the first transparent layer 11 and the second transparent layer 13, even if there is a slight deviation from a multiple of λ / 4, there is a slight change in the film thickness or refractive index of other layers. Since it can be complemented, the expression “λ / 4” includes the case of “approximately λ / 4”.
[0028]
The optical multilayer structure 1 having the gap 12 can be manufactured by the manufacturing process shown in FIGS. First, as shown in FIG. 3A, TiO 2 is formed on a transparent substrate 10 made of glass, for example, by sputtering.2The first transparent layer 11 is formed, and then, as shown in FIG. 3B, amorphous silicon (a−) as a sacrificial layer is formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Si) film 12a is formed. Subsequently, as shown in FIG. 3C, a photoresist film 14 having a pattern shape of the gap 12 is formed, and this photoresist film 14 is used as a mask as shown in FIG. The amorphous silicon (a-Si) film 12a is selectively removed by RIE (Reactive Ion Etching).
[0029]
Next, after removing the photoresist film 14 as shown in FIG. 4A, Bi is formed by sputtering, for example, as shown in FIG. 4B.2OThreeA second transparent layer 13 made of is formed. Next, as shown in FIG. 4C, the amorphous silicon (a-Si) film 12a is removed by dry etching. Thereby, the optical multilayer structure 1 provided with the gap | interval part 12 is producible.
[0030]
In the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, the amount of reflection or transmission of light incident from the transparent substrate 10 side or the opposite side to the transparent substrate 10 is changed by changing the optical size of the gap 12. It is something to be made. Specifically, the optical size of the gap portion 12 is set between an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (including 0) (for example, “λ / 4” and “0”). The amount of reflection or transmission of incident light is changed in a binary or continuous manner by changing in a binary or continuous manner.
[0031]
Next, the significance of the equations (1) and (2) will be described with reference to FIGS. 5 (A) and 5 (B) and FIGS. 6 (A) and 6 (B).
[0032]
The filter characteristics of the optical multilayer structure 1 as described above can be explained by optical admittance. The optical admittance y has the same value as the complex refractive index N (= n−i · k, where n is the refractive index and k is the extinction coefficient). For example, the admittance of air is y (air) = 1, n (air) = 1, and the admittance of glass is y (glass) = 1.52 and n (glass) = 1.52.
[0033]
  TransparentOn the boardTransparentWhen the optical film is formed, the film thickness is shown on the optical admittance diagram as shown in FIG.increase ofAs a result, the trajectory moves in an arc. Here, the horizontal axis is the real axis of admittance (Re), The vertical axis is the imaginary axis of admittance (Im) Respectively. For example, n = y = 2.40 TiO on a glass substrate with n = y = 1.52.2And the like, the locus of the synthetic optical admittance moves while drawing an arc from the point of y = 1.52 as the film thickness increases. If TiO2When the optical film thickness of λ / 4 is λ / 4, the locus of the synthetic admittance results in a point of 3.79 on the real axis (λ / 4 law). This is TiO / 4 film thickness on a glass substrate (transparent substrate)2It is a synthetic admittance when a film (first transparent layer) is formed. That is, when this structure is viewed from above, it is as if viewing an integrated substrate with n = 3.79. Since the reflectance at this time is obtained by the following equation (3) at the interface with air, the reflectance R = 33.9%.
[0034]
R = (n−1 / n + 1)2... (3)
[0035]
  Next, when a film (second transparent layer) of n = y = 1.947 is further formed on the optical multilayer structure by an optical film thickness = λ / 4, the film is 3 on the optical admittance diagram. .The locus moves clockwise from the 79 point. The composite admittance is Y = 1.0, which is 1.0 on the real axis. That is, since the synthetic admittance = the synthetic refractive index is equivalent to 1.0, that is, equivalent to air, there is no reflection at the interface, so-called V coat reflection.PreventionIt can be regarded as a membrane. This is the reflection characteristic when the optical multilayer structure 1 is in the state shown in FIG.
[0036]
  On the other hand, the TiO2When a gap portion of n = 1 (air) is provided on the film (n = 2.4) (first transparent layer) by the optical film thickness = λ / 4, the synthetic admittance is As shown in FIGS. 6A and 6B, Y2= 0.2638. Further, a film of n = y = 1.947 (second transparent layer) is formed on the gap.ButOptical film thickness = λ / 4 onlyExistenceThen, the synthetic admittance is YThree= 14.37, which is 14.37 on the real axis. The reflectivity at that time is Y in the above equation (3).Three= 14.37. At this time, the reflectance R is 76%. This is a characteristic when the optical multilayer structure 1 is in the state shown in FIG. From the above, when the air layer of the gap 12 is changed from “0” to an optical film thickness of “λ / 4” (that is, switching from the state of FIG. 2 to the state of FIG. 1), the reflectance is “ It turns out that it changes from "0%" to "76%."
[0037]
Where Y1= N1 2/ Ns, YThree'= N2 2  / Y1= N2 2・ Ns/ N1(See FIG. 5A). In order to realize such characteristics, YThree‘= 1.0 (the admittance of air) should be n2 2・ Ns/ N1 2= 1.0, that is, the above equation (2), that is, n2= N1/ √nSIt is sufficient if the relationship is established. Even if these refractive indexes are not strictly in this relationship, it is possible to make up a little with the film thickness or the like.
[0038]
〔Concrete example〕
7A and 7B show a glass substrate (n) as the transparent substrate 10 in the optical multilayer structure 1 of the present embodiment.S= 1.52), TiO as the first transparent layer 112Membrane (n1= 2.32), the air layer (nD= 1.00), Bi as the second transparent layer 132OThreeFilm (refractive index n2= 1.92) represents the relationship between the wavelength of incident light (design wavelength 550 nm) and the reflectance. Here, FIG. 7A shows the case where the optical film thickness of the gap (air layer) is “λ / 2” (physical thickness = 275 nm) and “λ / 4” (137.5 nm). B) represents the characteristics when the optical film thickness of the gap (air layer) is “0” and “λ / 4”, respectively.
[0039]
8A to 8C show these optical admittance diagrams. FIG. 8A shows the optical film thickness of the gap (air layer) as “λ / 2”, and FIG. The optical thickness of the gap (air layer) is “λ / 4”, and FIG. 8C shows the case where the optical thickness of the gap (air layer) is “0”.
[0040]
As is apparent from the characteristic diagram shown in FIG. 7, in the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, when the optical film thickness of the gap (air layer) 12 is “λ / 2”, the incident light ( Low reflection characteristics with respect to the wavelength λ), high reflection characteristics when the optical thickness of the gap 12 is “λ / 4”, and low reflection characteristics when the optical thickness of the gap 12 is 0. I understand that. That is, when the optical film thickness of the gap 12 is switched between an odd multiple of “λ / 4” and an even multiple of “λ / 4” (including 0), the high reflection characteristics and the low reflection characteristics alternate. Will be shown. Even when the optical film thickness is “λ / 2” even when the optical film thickness is “λ / 2”, the V coat reflection characteristic is exhibited for a specific wavelength (550 nm). The V-shaped characteristic becomes smooth, becomes almost flat, and the band with a reflectance of 0% becomes wider.
[0041]
Thus, in this embodiment, high-contrast modulation can be performed even in the visible light region such as 550 nm. Moreover, since it has a simple configuration and the moving range of the movable part is at most “λ / 2”, a high-speed response is possible. Therefore, by using this optical multilayer structure 1, a high-speed optical switching element and an image display device can be realized.
[0042]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9 and FIG. In the first embodiment, the structure capable of changing the reflection characteristics in a specific wavelength range has been described. However, in the present embodiment, a uniform wavelength (flat) in a broad wavelength range is almost uniform. The reflection characteristics can be changed.
[0043]
The optical multilayer structure 2 according to the present embodiment has a first transparent layer 21 and a second transparent layer 22 in contact with the transparent substrate 20 on the transparent substrate 20 made of a non-metallic transparent material. The gap 23, the third transparent layer 24, and the fourth transparent layer 25, which have a size that can be raised and whose size is variable, are arranged in this order. Here, FIG. 9 shows a state where a later-described gap portion 23 exists in the optical multilayer structure 2, and FIG. 10 shows a state where there is no gap portion of the optical multilayer structure 2.
[0044]
In the present embodiment, the refractive index of the transparent substrate 20 is nS, The refractive index of the first transparent layer is n1, The refractive index of the second transparent layer is n2, The refractive index of the third transparent layer is nThree, The refractive index of the fourth transparent layer is nFourIs set so that the relationship of the following formula (4) is established.
[0045]
nS<N1<N2≒ nThreeAnd nFour<N1... (4)
[0046]
Specific materials include, for example, a transparent glass substrate or a transparent plastic substrate as the transparent substrate 20, and Al as the first transparent layer 21.2OThreeMembrane (n1= 1.67), the second transparent layer 22 is TiO2Membrane (n2= 2.4) As the third transparent layer 24, TiO2Membrane (nThree= 2.4), the fourth transparent layer 25 is MgF2Membrane (nFour= 1.38). Optical film thickness n of the first transparent layer 21 to the fourth transparent layer 251d1, N2d2, NThreedThree, NFourdFourIs “λ / 4” or “odd multiple of λ / 4” (λ is the wavelength of the incident light).
[0047]
The first transparent layer 21 to the fourth transparent layer 25 may be a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics. In this case, the synthesized optical characteristics (optical admittance) in the composite layer are used. ) Must have the same characteristics as a single layer.
[0048]
Similar to the gap portion 12 of the first embodiment, the size of the gap portion 23 (the distance between the second transparent layer 22 and the third transparent layer 24) can be changed by the driving means described later. . The medium for filling the gap 23 is the same as that for the gap 12.
[0049]
In the optical multilayer structure 2 of the present embodiment, since the above equation (4) is established, the reflection characteristic can be obtained in a wide band, and the size of the gap portion 23 can be changed to change the transparent substrate 20 side or transparent The amount of reflection or transmission of light incident from the side opposite to the substrate 20 is changed. More specifically, as in the first embodiment, the optical size of the gap 23 is set to “ By changing binary or continuously between “odd multiple of λ / 4” and “even multiple of λ / 4 (including 0)”, the amount of reflection or transmission of incident light is binary. Or it changes continuously.
[0050]
FIG. 11 shows a glass substrate (n) as the transparent substrate 20 in the optical multilayer structure 2 of the present embodiment.S= 1.52), TiO as the first transparent layer 212Membrane and MgF2(Magnesium fluoride) film (composite refractive index n1= 1.7, corresponding to the composite film thickness λ / 4), and TiO as the second transparent layer 222Film (refractive index n2= 2.32), the air layer as the gap layer 23, and TiO as the third transparent layer 242Film (refractive index nThree= 2.32), MgF as the fourth transparent layer 252Film (refractive index nFour= 1.38) is a characteristic diagram showing the relationship between the wavelength (design wavelength) of incident light and the reflectance. Here, FIG. 11 shows the characteristics when the optical film thickness of the gap (air layer) 23 is “λ / 4” (physical thickness = 137.5 nm), and the optical film thickness of the gap (air layer) 23. Shows the characteristics when is 0.
[0051]
12A and 12B show these optical admittance diagrams. FIG. 12A shows an optical film thickness of the gap (air layer) 23 of “0” and FIG. 12B. Indicates the case where the optical film thickness of the gap (air layer) 23 is “λ / 4”.
[0052]
As is apparent from the characteristic diagram of FIG. 11, in the optical multilayer structure 2 of the present embodiment, when the optical film thickness of the gap (air layer) 23 is “λ / 4”, it covers a wide band. It can be seen that when the high reflection characteristic (approximately 60%) and the optical film thickness of the gap 23 are “0”, flat low reflection characteristics (approximately 0%) are exhibited over a wide band.
[0053]
[Modification]
In the optical multilayer structure shown in FIG. 13, a metal film having a film thickness of, for example, 100 nm or more and an aluminum (Al) layer 10a are formed on a transparent substrate 10 made of glass, and the first transparent layer 11 has a film thickness of 52. 67nm TiO2The film, the second transparent layer 13 is made of TiO 2 with a film thickness of 32.29 nm.2Film 13a, SiO. Film thickness of 114.72 nm2Film 13b, TiO with a film thickness of 53.08 nm2Film 13c and 19.53 nm thick SiO2This is formed by a multilayer film made of the film 13d. When the aluminum layer 10a is 100 nm or more, light transmission is almost zero. In addition, providing an antireflection film on a non-transmitting film means that reflection is zero and all of the light is absorbed by the aluminum layer 10a. Furthermore, from the characteristics of aluminum itself, it is easy in design to make the reflectivity in the high reflection state when the antireflection characteristic is destroyed to be close to 100% with a small number of layers.
[0054]
FIG. 14 shows the result of simulation when the gap 12 is changed in this optical multilayer structure. Incident light is on the opposite side of the aluminum layer 10a (the uppermost SiO 2 layer).2Incident from the side of the film 13d. The gap 12 is the second SiO2 from the top layer.2Even if the film 13b is replaced, similar characteristics can be obtained. FIG. 15 shows the reflection characteristics at that time. The design wavelength at this time was 550 nm, and the film thickness of each layer is shown in the figure.
[0055]
The gap 12 in FIGS. 14 and 15 is assumed to be air or vacuum having a refractive index of 1.0. However, since this requires a somewhat complicated process to perform experimentally, instead of the gap. , Low refractive index material SiO2The experiment was conducted using. The film configuration at this time is as shown in FIG. 16. FIG. 17 shows the result of the simulation, and FIG. 18 and FIG. 19 show the measurement results of the actual film formed. This shows that the simulation results and the actual measurement results are in good agreement. At this time, since the light is set to be incident from the glass substrate side, the reflection of about 4% on the surface is large in the actual measurement value. Some other deviation can be eliminated by controlling the film thickness while optically monitoring during film formation.
[0056]
FIG. 20 shows the reflection characteristics when the gap portion 12 is 386 nm and FIG. 21 is also 1485 nm in the optical multilayer structure shown in FIG. It can be seen that the width of the low reflection band in FIGS. 20 and 21 is narrower than the example of FIG. 14 (the gap 12 is 110.46 nm). That is, the larger the gap 12, the narrower the width of the low reflection region becomes, especially at 1500 nm or more, and the margin becomes low during manufacturing, which makes it difficult to handle. Therefore, the size of the gap 12 is less than 1500 nm, preferably within 500 nm. If it is this grade, it can produce without much problem.
[0057]
In the optical multilayer structure shown in FIG. 22, the first transparent layer 11 is directly formed on the transparent substrate 10 made of glass with a 40.89 nm-thick TiO 2 film.2The film and the second transparent layer 13 are made of TiO 2 with a film thickness of 32.62 nm.2Film 13a, 77.14 nm thick SiO2Film 13b, TiO with a film thickness of 39.40 nm2Film 13c and SiO with a film thickness of 163.13 nm2This is formed by a multilayer film made of the film 13d. FIG. 23 shows the result of the simulation. The design wavelength at this time was 550 nm. Unlike the example of FIG. 13, since there is no light absorption film (aluminum layer) on the transparent substrate 10, the reflectance in the reflection band is low, but the transmitted light escapes without being absorbed by the multilayer structure. The body itself can be prevented from having heat.
[0058]
In the above embodiment, the gap portion of the optical multilayer structure is a single layer, but a plurality of layers, for example, two layers as shown in FIG. 24 may be provided. That is, on the transparent substrate 10, the first transparent layer 11, the first gap 12, the second transparent layer 13, the second gap 30, and the third transparent layer 31 are formed in this order, and the second The transparent layer 13 and the third transparent layer 31 are supported by supports 15 and 32 made of, for example, silicon nitride.
[0059]
In this optical multilayer structure, the intermediate second transparent layer 13 is displaced up and down, and one gap between the first gap 12 and the second gap 30 is narrowed, so that the other gap is widened. As a result, the reflection characteristics change.
[0060]
[Driving method]
Next, specific means for changing the size of the gaps 12 and 23 in the optical multilayer structures 1 and 2 will be described.
[0061]
FIG. 25 shows an example in which the optical multilayer structure is driven by static electricity. In this optical multilayer structure, electrodes 16a and 16a made of, for example, aluminum are provided on both sides of the first transparent layer 11 on the transparent substrate 10, respectively, and the second transparent layer 13 is made of, for example, silicon nitride (SiThreeNFour), And electrodes 16b and 16b are formed at positions facing the electrodes 16a and 16a of the support 15.
[0062]
In this optical multilayer structure, the optical film thickness of the gap portion 12 is set to, for example, “λ / 4” and “0” by the electrostatic attraction generated by the potential difference caused by the voltage application to the electrodes 16a and 16a and the electrodes 16b and 16b. Or in a binary manner between “λ / 4” and “λ / 2”. Of course, by continuously changing the voltage application to the electrodes 16a and 16a and the electrodes 16b and 16b, the size of the gap 12 is continuously changed within a certain range of values, and the incident light is reflected or transmitted. Alternatively, the amount of absorption or the like can be changed continuously (analog).
[0063]
In addition, the method shown in FIGS. 26 and 27 may be used to drive the optical multilayer structure with static electricity. In the optical multilayer structure 1 shown in FIG. 26, a transparent conductive film 17a made of, for example, ITO (Indium-Tin Oxide) is provided on the first transparent layer 11 on the transparent substrate 10, and, for example, SiO 22The second transparent layer 13 is formed in a cross-linked structure, and a transparent conductive film 17b made of ITO is provided on the inner surface of the second transparent layer 13.
[0064]
In this optical multilayer structure, the optical film thickness of the gap portion 12 can be switched by electrostatic attraction generated by a potential difference caused by voltage application between the transparent conductive films 17a and 17b.
[0065]
In the optical multilayer structure shown in FIG. 27, a conductive film made of, for example, aluminum (Al) is provided between the first transparent layer 12 and the transparent substrate 10 instead of the transparent conductive film 17a of the optical multilayer structure of FIG. 17c is provided.
[0066]
In addition to such static electricity, the optical multilayer structure can be driven by various methods such as a method using a micromachine such as a toggle mechanism or a piezoelectric element, a method using a magnetic force, and a method using a shape memory alloy. FIGS. 28A and 28B show a mode of driving using magnetic force. In this optical multilayer structure, a magnetic layer 40 made of a magnetic material such as cobalt (Co) having an opening is provided on the second transparent layer 13 and an electromagnetic coil 41 is provided below the transparent substrate 10. By switching the electromagnetic coil 41 on and off, the gap 12 is switched between, for example, “λ / 2” (FIG. 28A) and “0” (FIG. 28B). Thereby, the reflectance can be changed.
[0067]
[Optical switching device]
[0068]
FIG. 29 illustrates a configuration of an optical switching device 100 using the optical multilayer structure 1. In the optical switching device 100, a plurality (four in the figure) of optical switching elements 100A to 100D are arranged in a one-dimensional array on a transparent substrate 101 made of glass, for example. In addition, it is good also as a structure arrange | positioned not only in one dimension but in two dimensions. In this optical switching device 100, for example, TiO along one direction (element arrangement direction) of the surface of the transparent substrate 101.2A film 102 is formed. TiO2On the film 102, for example, an ITO (Indium-Tin Oxide: indium and tin oxide mixed film) film 103 is formed. These TiO2The film 102 and the ITO film 103 correspond to the first transparent layer of the first embodiment.
[0069]
On the transparent substrate 101, TiO2In the direction orthogonal to the film 102 and the ITO film 103, a plurality of Bi2OThreeA membrane 105 is provided. Bi2OThreeAn ITO film 106 as a transparent conductive film is formed outside the film 105. These ITO films 106 and Bi2OThreeThe film 105 corresponds to the second transparent layer of the first embodiment, and has a crosslinked structure at a position across the ITO film 103. The optical film thickness of the first transparent layer and the second transparent layer is, for example, “λ / 4” (λ is the wavelength of incident light (550 nm)). Between the ITO film 103 and the ITO film 106, a gap 104 whose size changes in accordance with the switching operation (on / off) is provided. The optical film thickness of the gap 104 changes between, for example, “λ / 4” (137.5 nm) and “0” with respect to the wavelength of incident light (λ = 550 nm).
[0070]
In the optical switching elements 100A to 100D, the optical film thickness of the gap 104 is set to, for example, “λ / 4” and “0” by electrostatic attraction generated by a potential difference caused by voltage application to the transparent conductive film (ITO films 103 and 106). To switch between. In FIG. 29, the optical switching elements 100A and 100C are in the state where the gap 104 is “0” (ie, the low reflection state), and the optical switching elements 100B and 100D are in the state where the gap 104 is “λ / 4” (ie, the high Reflection state). The transparent conductive film (ITO films 103 and 106) and a voltage application device (not shown) constitute the “driving means” of the present invention.
[0071]
In this optical switching device 100, when the ITO film 103 on the first transparent layer side is grounded to have a potential of 0V and a voltage of, for example, + 12V is applied to the ITO film 106 formed on the second transparent layer side, the potential difference As a result, an electrostatic attractive force is generated between the ITO films 103 and 106. In FIG. 29, the ITO films 103 and 106 are brought into close contact like the optical switching elements 100A and 100C, and the gap 104 is in a "0" state. In this state, the incident light P1Passes through the multilayer structure, and further passes through the transparent substrate 21 to transmit the transmitted light P.2It becomes.
[0072]
Next, when the transparent conductive film 106 on the second transparent layer side is grounded and the potential is set to 0 V, the electrostatic attractive force between the ITO films 103 and 106 disappears, and in FIG. 29, the ITO film as in the optical switching elements 100B and 100D. 103 and 106 are separated from each other, and the gap 12 is in a state of “λ / 4”. In this state, the incident light P1Is reflected and reflected light PThreeIt becomes.
[0073]
Thus, in the present embodiment, the incident light P in each of the optical switching elements 100A to 100D.1By switching the gap portion to binary by electrostatic force, the transmitted light P2And reflected light PThreeThe two directions can be switched and taken out. Of course, the incident light P can be obtained by continuously changing the size of the gap as described above.1Transmitted light P2Reflected light PThreeIt is also possible to switch continuously.
[0074]
In these optical switching elements 100A to 100D, since the distance that the movable part has to move is at most about “λ / 2 (or λ / 4)” of incident light, the response speed is sufficiently high to about 10 ns. It is. Therefore, a display light valve can be realized with a one-dimensional array structure.
[0075]
In addition, in the present embodiment, if a plurality of optical switching elements are assigned to one pixel, they can be independently driven. Therefore, when performing gradation display of image display as an image display device, a method using time division In addition to this, gradation display by area is also possible.
[0076]
(Image display device)
FIG. 30 illustrates a configuration of a projection display as an example of an image display device using the optical switching device 100. Here, the reflected light P from the optical switching elements 100A to 100DThreeAn example in which is used for image display will be described.
[0077]
The projection display includes light sources 200a, 200b, and 200c made of lasers of red (R), green (G), and blue (B) colors, and optical switching element arrays 201a, 201b, and 201c provided corresponding to the light sources. A dichroic mirror 202a, 202b, 202c, a projection lens 203, a galvano mirror 204 as a uniaxial scanner, and a projection screen 205. The three primary colors may be cyan, magenta, and yellow in addition to red, green, and blue. Each of the switching element arrays 201a, 201b, and 201c is a one-dimensional array of a plurality of the above switching elements in the direction perpendicular to the paper, for example, the required number of pixels, for example, 1000. ing.
[0078]
In this projection display, the light emitted from the RGB light sources 200a, 200b, and 200c is incident on the optical switching element arrays 201a, 201b, and 201c, respectively. In addition, it is preferable to make this incident angle as close to 0 as possible and to make it enter perpendicularly so that the influence of polarization may not be exerted. Reflected light P from each optical switching elementThreeIs condensed on the projection lens 203 by the dichroic mirrors 202a, 202b, 202c. The light condensed by the projection lens 203 is scanned by the galvanometer mirror 204 and projected onto the projection screen 205 as a two-dimensional image.
[0079]
As described above, in this projection display, a plurality of optical switching elements are arranged in a one-dimensional manner, RGB light is respectively irradiated, and the light after switching is scanned by a one-axis scanner to display a two-dimensional image. be able to.
[0080]
In the present embodiment, the reflectance at the time of low reflection can be 0.1% or less, and the reflectance at the time of high reflection can be 70% or more. Therefore, a high contrast display of about 1,000 to 1 can be achieved. In addition, since the characteristics can be obtained at a position where the light is perpendicularly incident on the element, it is not necessary to consider polarization or the like when assembling the optical system, and the configuration is simple.
[0081]
Although the present invention has been described with reference to the embodiment and the modification, the present invention is not limited to the embodiment and the modification, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the display configured to scan a one-dimensional array of light valves using a laser as a light source has been described. However, as shown in FIG. 31, an optical switching device arranged in a two-dimensional manner. A configuration may also be adopted in which light is emitted from the white light source 207 to 206 and an image is displayed on the projection screen 208.
[0082]
In the above embodiment, an example in which a glass substrate is used as a transparent substrate has been described. However, as shown in FIG. 32, for example, a paper using a flexible (flexible) substrate 209 having a thickness of 2 mm or less. The image may be viewed directly by viewing.
[0083]
Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which the optical multilayer structure of the present invention is used for a display has been described. However, for example, an optical printer other than a display can be used such as drawing an image on a photosensitive drum using an optical printer. It is also possible to apply to various devices such as.
[0084]
【The invention's effect】
  As described above, according to the optical multilayer structure and the optical switching element of the present invention,,whileIncident from the transparent substrate side or the opposite side of the transparent substrate by changing the size of the gapVisibleThe amount of light reflection or transmission can be changed, and a high-speed response is possible with a simple configuration, particularly in the visible light region.
[0085]
Further, according to the image display device of the present invention, the optical switching elements of the present invention are arranged one-dimensionally, and image display is performed using the optical switching device having this one-dimensional array structure. In addition, since the characteristics can be obtained at a position where light is incident perpendicularly to the element, it is not necessary to consider polarization or the like when assembling the optical system, and the configuration is simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration when a gap portion of an optical multilayer structure according to a first embodiment of the present invention is “λ / 4”.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration when the gap portion of the optical multilayer structure shown in FIG. 1 is “0”.
3 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the optical multilayer structure shown in FIG. 1. FIG.
4 is a plan view for explaining a process following the process of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining characteristics when the gap portion of the optical multilayer structure shown in FIG. 1 is “0”;
6 is a diagram for explaining the characteristics when the gap portion of the optical multilayer structure shown in FIG. 1 is “λ / 4”. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing the reflection characteristics of the optical multilayer structure shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining the reflection characteristics (optical admittance) of FIG. 7;
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration when the gap portion of the optical multilayer structure according to the second embodiment of the present invention is “λ / 4”.
10 is a cross-sectional view showing a configuration when the gap portion of the optical multilayer structure shown in FIG. 9 is “0”.
11 is a diagram showing the reflection characteristics of the optical multilayer structure shown in FIG. 9. FIG.
12 is a diagram for explaining reflection characteristics (optical admittance) of the optical multilayer structure of FIG. 11. FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining a modification of the first embodiment.
14 is a diagram illustrating reflection characteristics of the optical multilayer structure of FIG.
15 is a diagram illustrating reflection characteristics of the optical multilayer structure of FIG.
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining another modification of the first embodiment.
FIG. 17 is a diagram illustrating reflection characteristics (simulation) of the optical multilayer structure of FIG.
18 is a diagram illustrating reflection characteristics (actual measurement values) of the optical multilayer structure of FIG. 16;
FIG. 19 is a diagram illustrating reflection characteristics (actual measurement values) of the optical multilayer structure of FIG.
20 is a diagram showing another reflection characteristic of the optical multilayer structure shown in FIG.
FIG. 21 is a diagram illustrating another reflection characteristic of the optical multilayer structure illustrated in FIG.
FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining still another modification of the first embodiment.
FIG. 23 is a diagram illustrating reflection characteristics (simulation) of the optical multilayer structure of FIG.
FIG. 24 is a cross-sectional view for explaining still another modification of the first embodiment.
FIG. 25 is a cross-sectional view for explaining a method of driving the optical multilayer structure by static electricity.
FIG. 26 is a cross-sectional view for explaining another driving method by static electricity of the optical multilayer structure.
FIG. 27 is a cross-sectional view for explaining still another driving method by static electricity of the optical multilayer structure.
FIG. 28 is a cross-sectional view for explaining a magnetic driving method of the optical multilayer structure.
FIG. 29 is a diagram illustrating a configuration of an example of an optical switching device.
FIG. 30 is a diagram illustrating a configuration of an example of a display.
FIG. 31 is a diagram illustrating another example of the display.
FIG. 32 is a configuration diagram of a paper-like display.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Optical multilayer structure, 10 ... Transparent substrate, 11, 21 ... 1st transparent layer, 12, 23 ... Gap part, 13, 22 ... 2nd transparent layer, 24 ... 3rd transparent layer, 25 ... Fourth transparent layer, 100—Optical switching device

Claims (5)

明基板上に、前記透明基板に接する第1の透明層、第2の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第3の透明層および第4の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有する光学多層構造体であって、
前記透明基板をガラス基板、前記第1の透明層をTiO 2 膜およびMgF 2 膜からなる複合層、前記第2の透明層をTiO 2 膜、前記第3の透明層をTiO 2 膜、前記第4の透明層をMgF 2 膜によりそれぞれ構成すると共に前記間隙部を空気層とし、かつ前記第1の透明層、前記第2の透明層、前記第3の透明層および前記第4の透明層の光学的な膜厚を、λ/4あるいはλ/4の奇数倍(λは入射光の波長)とし、
前記駆動手段によって、前記間隙部の光学的な大きさをλ/4の奇数倍とλ/4の偶数倍(0を含む)との間で2値的あるいは連続的に変化させることにより、前記透明基板側もしくは前記透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を2値的あるいは連続的に変化させる
光学多層構造体。
The transparency on the substrate, a first transparent layer in contact with the transparent substrate, the second transparent layer, its size is variable gap portion which has a size capable of causing an optical interference phenomenon, a third transparent layer, and and has a structure which is disposed a fourth transparent layer in the order of this, an optical multilayer structure having a driving means for changing an optical size of the gap portion,
The transparent substrate is a glass substrate, the first transparent layer is a composite layer composed of a TiO 2 film and an MgF 2 film, the second transparent layer is a TiO 2 film, the third transparent layer is a TiO 2 film, Each of the four transparent layers is composed of an MgF 2 film and the gap portion is an air layer, and the first transparent layer, the second transparent layer, the third transparent layer, and the fourth transparent layer The optical film thickness is λ / 4 or an odd multiple of λ / 4 (λ is the wavelength of incident light),
By changing the optical size of the gap portion between the odd multiple of λ / 4 and the even multiple of λ / 4 (including 0) by the driving means in a binary or continuous manner, An optical multilayer structure that changes the amount of reflection or transmission of visible light incident from the transparent substrate side or the opposite side of the transparent substrate, in a binary or continuous manner .
前記第1の透明層ないし第4の透明層のうち、少なくとも前記間隙部を挟む2つの透明層それぞれにおいて、一部が透明導電膜よりなり、前記駆動手段は、前記透明導電膜への電圧の印加によって発生した静電力により、前記間隙部の光学的な大きさを変化させるものである、請求項1記載の光学多層構造体。In each of the first transparent layer to the fourth transparent layer, at least two transparent layers sandwiching the gap portion, a part is made of a transparent conductive film, and the driving means is configured to apply a voltage to the transparent conductive film. The optical multilayer structure according to claim 1 , wherein the optical size of the gap is changed by an electrostatic force generated by application. 前記透明導電膜は、ITO,SnO2 およびZnOのうちのいずれかにより形成されている、請求項2記載の光学多層構造体。The optical multilayer structure according to claim 2 , wherein the transparent conductive film is formed of any one of ITO, SnO 2, and ZnO. 明基板上に、前記透明基板に接する第1の透明層、第2の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第3の透明層および第4の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有する光スイッチング素子であって、
前記透明基板をガラス基板、前記第1の透明層をTiO 2 膜およびMgF 2 膜からなる複合層、前記第2の透明層をTiO 2 膜、前記第3の透明層をTiO 2 膜、前記第4の透明層をMgF 2 膜によりそれぞれ構成すると共に前記間隙部を空気層とし、かつ前記第1の透明層、前記第2の透明層、前記第3の透明層および前記第4の透明層の光学的な膜厚を、λ/4あるいはλ/4の奇数倍(λは入射光の波長)とし、
前記駆動手段によって、前記間隙部の光学的な大きさをλ/4の奇数倍とλ/4の偶数倍(0を含む)との間で2値的あるいは連続的に変化させることにより、前記透明基板側もしくは前記透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を2値的あるいは連続的に変化させる
光スイッチング素子。
The transparency on the substrate, a first transparent layer in contact with the transparent substrate, the second transparent layer, its size is variable gap portion which has a size capable of causing an optical interference phenomenon, a third transparent layer, and and has a structure which is disposed a fourth transparent layer in the order of this, an optical switching device having a driving means for changing an optical size of the gap portion,
The transparent substrate is a glass substrate, the first transparent layer is a composite layer composed of a TiO 2 film and an MgF 2 film, the second transparent layer is a TiO 2 film, the third transparent layer is a TiO 2 film, Each of the four transparent layers is composed of an MgF 2 film and the gap portion is an air layer, and the first transparent layer, the second transparent layer, the third transparent layer, and the fourth transparent layer The optical film thickness is λ / 4 or an odd multiple of λ / 4 (λ is the wavelength of incident light),
By changing the optical size of the gap portion between the odd multiple of λ / 4 and the even multiple of λ / 4 (including 0) by the driving means in a binary or continuous manner, An optical switching element that changes the amount of reflection or transmission of visible light incident from the transparent substrate side or the opposite side of the transparent substrate in a binary or continuous manner .
1次元または2次元に配列された複数の光スイッチング素子に光を照射することで2次元画像を表示する画像表示装置であって、
前記光スイッチング素子は、透明基板上に、前記透明基板に接する第1の透明層、第2の透明層、光の干渉現象を起こし得る大きさを有すると共にその大きさが可変な間隙部、第3の透明層および第4の透明層をこの順で配設した構造を有すると共に、前記間隙部の光学的な大きさを変化させる駆動手段を有し、
前記透明基板をガラス基板、前記第1の透明層をTiO 2 膜およびMgF 2 膜からなる複合層、前記第2の透明層をTiO 2 膜、前記第3の透明層をTiO 2 膜、前記第4の透明層をMgF 2 膜によりそれぞれ構成すると共に前記間隙部を空気層とし、かつ前記第1の透明層、前記第2の透明層、前記第3の透明層および前記第4の透明層の光学的な膜厚を、λ/4あるいはλ/4の奇数倍(λは入射光の波長)とし、
前記駆動手段によって、前記間隙部の光学的な大きさをλ/4の奇数倍とλ/4の偶数倍(0を含む)との間で2値的あるいは連続的に変化させることにより、前記透明基板側もしくは前記透明基板と反対側より入射した可視光の反射もしくは透過の量を2値的あるいは連続的に変化させる、画像表示装置。
An image display device that displays a two-dimensional image by irradiating light to a plurality of optical switching elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally,
The optical switching element, the transparency on the substrate, a first transparent layer in contact with the transparent substrate, the second transparent layer, its size is variable gap portion which has a size capable of causing an optical interference phenomenon, and has a structure which is disposed a third transparent layer, and the fourth transparent layer of in the order of this, a driving means for changing an optical size of the gap portion,
The transparent substrate is a glass substrate, the first transparent layer is a composite layer composed of a TiO 2 film and an MgF 2 film, the second transparent layer is a TiO 2 film, the third transparent layer is a TiO 2 film, Each of the four transparent layers is composed of an MgF 2 film and the gap portion is an air layer, and the first transparent layer, the second transparent layer, the third transparent layer, and the fourth transparent layer The optical film thickness is λ / 4 or an odd multiple of λ / 4 (λ is the wavelength of incident light),
By changing the optical size of the gap portion between the odd multiple of λ / 4 and the even multiple of λ / 4 (including 0) by the driving means in a binary or continuous manner, An image display device that changes the amount of reflection or transmission of visible light incident from the transparent substrate side or the opposite side of the transparent substrate, in a binary or continuous manner .
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