JP2002062505A - 投影型表示装置及びそれに用いる干渉性変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏光板が不要で、光変調器へ入射光と光変調
器からの射出光の光軸が一致し、光線の吸収による素子
温度上昇が少なく、入射光及び射出光の光量損失の少な
い光の利用効率の高い投影型表示装置を提供する。 【解決手段】 Ｒ、Ｇ、Ｂの３つの光源を設け、レンズ
８６，８７，８８を通した後にダイクロイックプリズム
８９にて平行光に成形した光線を光変調器に入射する。
光変調器はＲＧＢに夫々対応した３種類の光変調素子か
らなる。各光変調素子は、半透明固定層部と、半透明可
動膜とを、空気層を介して対峙させた干渉性変調（ＩＭ
ＯＤ）素子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、基板上に設置され
た光入射部と、半透明可動膜とを、空気層を介して対峙
させてファブリペロー共振器を形成させ、半透明可動膜
を変位させて入射光を変調する干渉性変調（ＩＭＯＤ）
素子を使用する投影型表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＣＲＴに変わる様々な表示装置が
開発されてきている。その例として、液晶表示装置、プ
ラズマ表示装置、フィールドエミッションディスプレイ
（ＦＥＤと称す）等がある。

【０００３】なかでも液晶表示装置は、プラズマ表示装
置やＦＥＤに比べ真空を用いる必要がなく、素子の構成
及び製造が比較的容易であり、薄型化や小型化がしやす
いメリットを生かし、ノート型コンピュータ用ディスプ
レイや、投影型表示装置用マイクロディスプレイとして
の応用が盛んになされている。その反面、液晶表示装置
においては、液晶層の前後に偏光板を設ける為に入射光
量の少なくとも５０％以上が偏光板によりけられてしま
い、入射光の利用効率が低いという課題がある。光変調
器の画素毎の開口率改善を図っても、射出光の取り出し
効率が５０％を超えることはできない。

【０００４】高輝度化の要望はますます大きくなってお
り、液晶に変わる光利用効率の高い表示装置の開発が望
まれている。

【０００５】近年、上記要望に答えるように、液晶表示
装置とは異なり干渉を用いる機械式光変調器の開発の取
り組みがなされている。干渉を利用した機械式光変調器
は、半導体回路製造技術を利用し微小な可動機構を形成
するマイクロメカニクス技術を用いて作製され、可動機
構をマイクロメーターサイズに小型化することでアレイ
化でき、さらに高速応答性を期待でき、表示装置への応
用が可能となっている。このような光変調器では偏光板
が不用であることより、画素に占める変調部の開口率を
向上することで入射光の高い利用効率を期待できること
にある。

【０００６】干渉を利用する光学変調器の代表的な例を
以下に説明する。

【０００７】Ｔ．Ｈａｔｓｕｚａｗａ等はＩｎｔｅｒｆ
ｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅｓ
（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ '９９，１９９９，ｐ８
０４−８０７）がある。これは、電圧を印加すること
で、ハーフミラーが基板側に移動し、基板側からの反射
光がハーフミラーからの反射光と干渉し、これより反射
光の明るさを変調するものである。

【０００８】他の例として、Ｍ．Ｗ．Ｍｉｌｅｓより、
ファブリペロー干渉計の原理を応用した表示装置が提案
されている（ＳＩＤ '００ Ｄｉｇｅｓｔ， ２００
０，３２−３４）。これは、可動ミラーとｉｎｄｕｃｅ
ｄ ａｂｓｏｒｂｅｒを有する干渉型共振器との間での
多重光束干渉により入射する多色光（自然光）の特定波
長領域の光のみを反射しカラー表示を可能とするもので
ある。

【０００９】また、３色の光源を用いて、干渉の原理を
利用した反射型表示装置（Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ
Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．４，４０３，２４８）が提案さ
れている。

【００１０】また、ファブリペロー干渉を用い紫外線光
源からの光を光変調し光変調器から射出される光を、光
変調器に対向配置した蛍光体照射する表示装置（特開平
１１−２５８５５８号公報）も開示されている。

【００１１】上述の光変調器では、液晶表示装置とは異
なり偏光板が不要であり、光源から光変調器に入射する
光の利用効率を飛躍的に上げることが期待できる。デー
タプロジェクタや映画用表示装置では画面サイズが大き
く、高輝度化の要望が特に大きい。投影型表示装置への
応用が期待される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記干渉を利用する機
械式光変調器を投影型表示装置に利用しようとする場合
には、以下のような課題が現れる。

【００１３】Ｔ．Ｈａｔｓｕｚａｗａ等のＩｎｔｅｒｆ
ｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅｓ
の干渉条件では、光源より出た光線はデバイス直上よ
り入射することとなる。このような光源とデバイスの配
置を投影型表示装置に応用した場合には、ビームスピリ
ッタやハーフミラー等が必要となり偏光板が不要にも係
らず、デバイスへの入射光量が低減されてしまうことに
なる。また、反射型表示装置とすることで、透過光はシ
リコン基板に入射するが、投影型表示装置に用いる光源
の可視光が、シリコン基板にて光吸収し基板温度が次第
に上昇していく事が予想される。可動機構は温度上昇に
伴い熱膨張することとなり、梁の撓みが変化し空隙間隔
δのずれ、反射波長のシフトが発生してしまう。表示装
置としてはカラーバランスずれ、色ムラや輝度低下に繋
がる。

【００１４】Ｍ．Ｗ．Ｍｉｌｅｓよる光変調器はｉｎｄ
ｕｃｅｄ ａｂｓｏｒｂｅｒを有することで、上記温度
上昇が発生しやすく、上記と同様な反射波長シフトが生
じる。そのため、投影型表示装置として用いる高輝度光
源が利用できず、暗く且つコントラストの低いものしか
期待できない。

【００１５】Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎ
ｔ Ｎｏ．４，４０３，２４８（反射型）ではガラスを
基板に用いることで上記温度上昇を回避することが可能
となっている。しかしながら反射型表示装置では、光変
調器へ入射する光軸と、光変調器から投影光学系を結ぶ
光軸とが直線上になく、光学の位置調整が液晶パネルの
ような透過型タイプに比べ精度が必要となり、精密調整
を行う事により製品価格が上昇してくる。さらに干渉を
用いる光変調器では光の入射角により多重光束干渉する
波長が変化する。これにより表示装置としては、光軸ず
れによる色ムラや輝度低下に繋がることとなり、ミラー
を用いる光変調器と比べてみてもその調整は厳密にする
必要がある。このことは、調整コストの上昇に繋がる。

【００１６】特開平１１−２５８５５８号公報には、透
過型表示装置が開示されており、上記の入射光線の吸収
によるデバイスの温度上昇が生じにくく、平面光源を用
いることで光軸調整等が容易となる可能性がある。しか
しながら、紫外線にて発光する蛍光体からの光は表示面
側のみではなく光変調器側にも出る為、トータルとして
の光利用効率は半減する。

【００１７】そこで、本発明は、（１）偏光板の不要
な、（２）光変調器へ入射光と光変調器からの射出光の
光軸が一致する、（３）光線の吸収による素子温度上昇
の少ない、（４）入射光及び射出光の光量損失の少ない
光の利用効率の高い投影型表示装置を提供することを課
題としている。また、その投影型表示装置に好適な光変
調素子を提供することを課題としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の投影型表示装置は、透明基板と、透明基板
上に設置された半透明固定膜部と、半透明可動膜とを、
空気層を介して対峙させてファブリペロー共振器を形成
させ、前記半透明可動膜を変位させて、入射光を変調す
る干渉性変調（ＯＭＯＤ）素子を使用する投影型表示装
置であって、狭波長域の複数の光源と、前記複数の光源
からの光をそれぞれ変調する複数の前記ＩＭＯＤ素子
と、前記ＩＭＯＤ素子で変調された前記光源からの光を
一つの光軸に出射させるダイクロイックプリズムと、前
記ダイクロイックプリズムから出射する光を投影する投
影レンズとを備えている。

【００１９】又、本発明の投影型表示装置は、透明基板
と、前記透明基板上に設置した半透明固定膜部と、半透
明可動膜とを、空気層を介して対峙させてファブリペロ
ー共振器を形成させ、前記半透明可動膜を変位させて、
入射光を変調する干渉性変調（ＩＭＯＤ）素子を使用す
る投影型表示装置であって、狭波長域の複数の光源と、
前記複数の光源からの光を一つの光軸に出射させるダイ
クロイックプリズムと、前記ダイクロイックプリズムか
ら出射する光を変調する前記ＩＭＯＤ素子と、前記ＩＭ
ＯＤ素子で変調された前記光源からの光を投影する投影
レンズとを備えている。

【００２０】又、本発明の干渉性変調器は、ファブリペ
ロー共振器構造の干渉性変調器であって、透明基板と、
前記透明基板上に設置された半透明固定膜部と、前記半
透明固定膜部と空隙を介して配置された導電性の半透明
可動膜と、前半透明可動膜を支持する可撓梁と、前記可
撓梁を基板より支持するポストと、前記半透明可動膜を
変位させる変位手段とを備え、前記変位手段は；前記半
透明可動膜に電流を流す手段と、前記半透明可動膜に流
れる電流方向に直交し且つ前記半透明層に平行となるよ
うに磁束密度を生じさせる磁界発生手段とを有してい
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００２２】本発明の光変調素子はファブリペロー干
渉、すなわち多重光束干渉を利用した光変調素子であ
り、投影型表示装置は前記光変調素子により変調された
透過光を用いる。フィゾー縞を用いた光変調素子に比べ
て、透過率及び反射率の波長依存性が強く、且つ透過光
と未透過の場合での輝度比（コントラスト）を大きくと
ることが可能である。光変調器は、上記光変調素子を、
同一基板上に、１次元、又は２次元に複数配置したもの
である。

【００２３】本発明の投影型表示装置は、光変調器裏面
に狭波長帯の光線を入射し、透過する光線を前記光変調
器にて変調し、投影レンズにて投影する表示装置であ
り、光変調器が空隙を介して平行に配置した２枚の半透
鏡薄膜と前記半透鏡薄膜を変位する駆動手段よりなり、
前記２枚の半透鏡薄膜の間隔を変化させることで、入射
する光線により多重光束干渉を生じさせ、光線を透過又
は反射させる。

【００２４】固定半透鏡薄膜を形成する基板としては、
可視光領域にて透過性の高い基板を用いる。主には、ガ
ラス、石英基板等を用いる。石英基板を用いた場合、半
導体回路形成プロセスが適用でき、基板上にｐｏｌｙ−
ＳｉのＴＦＴ等の駆動用回路等を形成することができ
る。

【００２５】シリコンウエハも使用することが可能であ
り、この場合にはシリコンウエハ上に光変調素子を形成
した後に、ウエハ裏面に貫通孔を開け、可動半透鏡薄膜
直下のシリコンウエハを除去することとなる。

【００２６】本発明で用いる光源及び光線について説明
する。素子温度の変化や変位手段から可動半透鏡薄膜へ
の制御信号のノイズにより光変調素子の干渉を行う空隙
間隔が変動した場合、入射光線のスペクトラムの幅（波
長域と称す）が広いと変調した透過光の波長変化として
現れ、表示装置にて形成する表示像に色ムラが発生す
る。このような色ムラの発生を抑える為、本発明では、
光源として単一波長に近い狭波長域の光線を出す光源を
用いている。

【００２７】狭波長域の好ましい範囲としては、光変調
素子に入射する光の半値全幅に比べて、入射する光の最
大光量となる波長に対し、光変調素子の透過する光の半
値全幅が広い範囲である。これにより、たとえ半透鏡の
間隔に変動が起きても色ムラを低く抑えることが可能と
なる。狭波長域となる光源としては、レーザーや発光ダ
イオードがあり、これら光源では光線の半値全幅が狭
い。レーザー光は半値全幅が狭く、より好ましい光線で
ある。光線しては、白色光源にフィルターを設け狭波長
域にした光線を用いてもよい。

【００２８】光変調素子に入射する光の半値全幅に比べ
て、入射する光の最大光量となる波長に対し、光変調素
子の透過率の半値全幅が広い範囲であることにより、透
過光の強度変調を行うことが可能である。図１０を用い
て説明する。透過光量は光変調素子の透過率の波長域と
入射光線の重なり部分である。光変調素子の透過率の波
長域は図中斜線を入れた波長域を持つ。ここで、透過率
の最大光量となる波長は入射波長より大きくなるように
している。この条件は、空隙間隔δが前記光線の波長λ
に対し、以下となる。 δ＞ｐ・λ／２ （ｐは整数） （式１）

【００２９】この条件により、素子を変位させない場
合、表示装置としては「暗」状態となる。素子温度の変
化や変位制御信号のノイズ変動等が生じた場合でも
「暗」であり、空隙間隔の変動による透過光量変動は無
い。空隙間隔を連続的に短く変化させることで画像とし
て「暗」から「明」への連続諧調が出せる。

【００３０】素子が変位しない状態で空隙間隔δをｐ・
λ／２（ｐは整数）にするとき（表示装置としては
「明」状態）、上記変動があると透過光量が低下する。
静電引力により空隙間隔を変化させる場合には、常に空
隙間隔は狭くなる方向であり、入射光の波長と反射率の
中心波長を等しくさせると、変動に対処できず、輝度向
上をみこめない。本発明では、温度変化や制御信号ノイ
ズ等の変動に強い投影型表示装置を提供できる。

【００３１】光変調素子の変位手段としては、静電引
力、磁気力が用いられる。具体的には、可動半透鏡薄膜
と固定半透鏡薄膜が導電性を有している場合には、この
間に電圧を印加することで静電引力が発生し、可動半透
鏡薄膜が固定半透鏡薄膜の方向に変位し、空隙間隔ｄを
変えることができる。

【００３２】変位手段に磁気力を用いる場合には、可動
反射薄膜が固定半透鏡薄膜と対向する方向、及び可動半
透鏡薄膜に流す電流の方向に直行する方向に磁束が形成
されるように磁石を配置する。可動半透鏡薄膜を変位さ
せる力は、電流・磁束密度・力のフレミングの左手の法
則に従った方向に作用するローレンツ力から求められ
る。このことにより、流す電流に比例して空隙間隔δを
変えることができる。

【００３３】次に、本発明の可動半透鏡薄膜及び固定半
透鏡薄膜の材料について述べる。ファブリ・ペロー干渉
を原理として多重光束干渉を行うには、可動半透鏡薄膜
は光を反射すると共に透過する反透過膜からなる。この
ためには、材料としては金属、金属化合物、半導体が使
用できる。金属として半透過膜となるように薄膜形成で
きれば良く、金、銀、アルミニウム、パラジウム、亜
鉛、ニッケル等様々な材料を用いることができる金属化
合物としては、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、酸化亜鉛等
も電子密度を高くすることで反射率の高い膜を得ること
ができ、使用することが可能である。半導体としては、
シリコン、ｐｏｌｙ−Ｓｉ等を使用することができ、ド
ーパント濃度を調整することで低抵抗化でき、導電材料
として利用できる。

【００３４】金属は反射率が高く、半透過膜としては好
適となるが、光透過性を持たせるためには、数十〜数百
オングストローム程度に薄膜化する必要がある。数十〜
数百オングストローム程度の薄膜では金属の種類により
機械的強度が低下する場合があり、この場合には、入射
光を透過する波長に対して透過率の高い誘電体薄膜と金
属薄膜の２層よりなる可動半透鏡薄膜を用いる場合があ
る。前記誘電体薄膜の変わり、可視光に透過性のある透
明導電性薄膜であるＩＴＯ、ＳｎＯ_２、酸化亜鉛等を用
いても良い。

【００３５】透明導電性薄膜と金属薄膜との構成からな
る可動反射薄膜では、可動反射薄膜を低抵抗にすること
ができ電流も十分に流すことができる。

【００３６】以下、図面を参照して実施形態ごとに説明
する。

【００３７】（第１実施形態）本発明の投影型表示装置
の第１の実施形態について以下説明する。

【００３８】図１は本発明の投影型表示装置であり、
赤、緑、青の３つの狭波長帯光源１、２、３と夫々の光
線をコリメートするレンズ４、５、６と、光変調素子が
アレイ状に配置した光変調器７、８、９と、光変調器を
通して変調された光線束ねるダイクロイックプリズム１
０とダイクロイックプリズムからの光線を投影する投影
レンズ１１よりなる。ここで、一つの光変調素子は一画
素を構成している。本発明の投影型表示装置は、光変調
器裏面に狭波長帯の光線を入射し、透過する光線を前記
光変調器にて変調し、投影レンズにて投影する表示装置
であり、光変調器が空隙を介して平行に配置した２枚の
半透鏡薄膜と前記半透鏡薄膜を変位させる駆動手段より
なり、前記２枚の半透鏡薄膜の間隔を変化させること
で、入射する光線により多重光束干渉を生じさせ、光線
を透過又は反射させる。

【００３９】次に、光変調素子の構成及び駆動原理、変
位特性について、図２、図３（図２のＡＡ断面であ
る）、図４を参照して説明する。

【００４０】図２、３に示すように、基板２１に固定半
透鏡薄膜２２が形成され、可動半透鏡薄膜２３が空隙間
隔ｄを保ち固定半透鏡薄膜２２に平行に、ポスト２５に
連結した撓み弾性変形の可能な可撓梁２４により、支持
されている。ポスト２５、可撓梁２４及び可動半透鏡薄
膜２３は導電性を有し、固定半透鏡薄膜上に設けた絶縁
層２７上に形成した配線２６に電気的に接続している。
固定半透鏡２２は、電圧電源２８に電気的に接続してい
る。可撓梁２４は、４つの梁にて可動反射薄膜７３を機
械的に支持している。

【００４１】図４は、光変調素子の特性図である。可動
半透鏡薄膜２３と固定半透鏡薄膜２２を電極として用
い、この２枚の電極間に電圧を印加すると静電力が発生
する。静電力は、２枚の電極間距離をＬ、電圧をＶとす
ると、静電引力は以下の式となる。 Ｆ＝（１／２）×ε×Ａ×（Ｖ²／Ｌ²） （式２）

【００４２】ここで、εは誘電率（本発明では空隙の誘
電率となる）、Ａは電極面積である。可動半透鏡薄膜は
可撓梁により支持されており、この可撓梁の弾性率と
（式２）が釣り合う位置が空隙間隔Ｌ＝ｄとなる。この
釣り合い条件は図中電圧Ｖｔ（崩れ電圧と称す）までな
だらかな変化を示す。印加電圧がＶｔ以上になると（こ
のときの空隙間隔をｄｔとする）、静電引力が弾性によ
る復元力に勝り、可動半透鏡薄膜が固定半透鏡薄膜に接
触した状態となる。

【００４３】このようなヒステリシスを有する変位手段
を用いて光変調を行う場合としては、光変調素子の可動
領域としてｄ≧Ｌ＞ｄｔの間でのなだらか領域を使用す
る、又は可動半透鏡薄膜と固定半透鏡薄膜の接触状態と
非接触状態の２つの状態を使用する２値変位動作、の２
つ方法がある。２値変位動作で使用する場合には、接触
した際に可動半透鏡薄膜２３と固定半透鏡薄膜２２の間
で導通しないように、本発明では図６に示すように固定
半透鏡薄膜上に絶縁層を設ける必要がある。絶縁膜とし
ては、図２の固定半透鏡薄膜２２と配線２６の絶縁を保
つ為に設けた絶縁膜２７を用い、固定半透鏡膜上を覆っ
ても良い。図４の０≦Ｖ＜Ｖｔの印加電圧Ｖの領域で変
位をする場合には、透過条件での空隙間隔ｄｏｎと反射
条件での空隙間隔ｄｏｆｆがＬ＞ｄｔを満たすよう狭波
長幅となる光源を用いる事となる。

【００４４】図１を用いて説明した投影型表示装置に用
いた光変調器の具体的構成について説明する。光変調器
は一つの基板上に設けた２次元に配列した光変調素子か
らなっている。ＲＧＢに夫々対応した空隙間隔を有する
光変調器７、８、９の３つを用いた。光変調器７、８、
９の夫々は、空隙間隔以外の基板、可動半透鏡薄膜、固
定半透鏡薄膜、可撓梁、ポスト等は同様の構成からなっ
ており、基板２１は石英であり、可動半透鏡薄膜２３及
び可撓梁２４、ポスト２５は、半透鏡となるＡｌ膜と１
００ｎｍのシリコン窒化膜の２層薄膜からなる。Ａｌ膜
が基板側となるようにしてあり、また、ポスト２５と可
撓梁２４と可動半透鏡薄膜２３は同一膜厚となってい
る。固定半透鏡薄膜２２は、可動半透鏡薄膜２３と同一
膜厚のＡｌ膜より成っている。Ａｌ膜の厚みは、反射係
数が０．９となるように調整してある。窒化膜を設けた
ことで、Ａｌ薄膜のみに比べて可動半透鏡薄膜の剛性を
高めることができている。光変調器７、８、９の夫々の
空隙間隔は２６７ｎｍ、３２７ｎｍ、２４８ｎｍであ
り、電圧Ｖ＜Ｖｔの時に多重光束干渉にて波長５１４ｎ
ｍ、６３３ｎｍ、４７６ｎｍの光が、透過率が最大とな
るように設定してある。入射光の入射角は０°である。

【００４５】光変調器８を例にとりその変調特性を、図
６を用いて説明する（図中では、光変調素子は２つのみ
表示してある）。基板下面より、光源２として赤色のＨ
ｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ）を照射する。基板
上面より、レーザー光の透過率を測定した。電圧電源２
９では固定半透鏡薄膜に電圧を印加せず、電圧電源２８
に電圧（印加電圧Ｖ＜Ｖｔ）を印加した。図６の左の光
変調素子では、赤色のレーザー光は透過するが、右の光
変調素子ではレーザー光の透過は見られない。なお、電
圧を印加した状態での右の光変調子の空隙間隔は３１７
ｎｍ程度であった。光源１、３として、アルゴンイオン
レーザー（５１３ｎｍ、４７６ｎｍ）を用いて、光変調
器７、９について、電圧の印加の有無による透過率を計
測したところ同様に、無印加時には透過光が測定された
が、電圧を印加すると透過しなかった。

【００４６】以上より、図１の投影型表示装置に用いる
光変調器を構成する光変調素子に電圧を印加することで
投影レンズを通して投影された画像を形成することがで
きる。本発明の投影表示装置では偏光板を用いることな
く高輝度の画像形成が可能である。

【００４７】（第２実施形態）図７は本発明の投影型表
示装置に用いる光変調素子の第２の実施形態の構成図を
説明する上面図（ａ）と断面図（ｂ）であり、図８は図
７に示した光変調素子の変位特性を説明する電流−変位
関係図である。

【００４８】図７（ａ）、（ｂ）を参照して本実施形態
の光変調素子の構成について詳しく説明する。図７
（ａ）より、基板７１には固定半透鏡薄膜７２が形成さ
れ、可動半透鏡薄膜７３が空隙間隔ｄを保ち固定半透鏡
薄膜７２に平行に、ポスト７５に連結した撓み弾性変形
の可能な可撓梁７４により、支持されている。ポスト７
５、可撓梁７４及び可動半透鏡薄膜７３は導電性を有
し、電流電源７９、８０に電気的に接続している。可撓
梁７４は、４つの梁で可動半透鏡薄膜７３を機械的に支
持している。磁石７７、７８は可動半透鏡薄膜７３に流
れる電流方向に直交するようにＮ極とＳ極が対向するよ
うに配置されている。磁石７７、７８により可動半透鏡
薄膜位置に磁束密度Ｂが生じ、可動半透鏡薄膜７３に電
流Ｉを流すと図７（ｂ）（図中磁石は不図示、図面垂直
方向に配置されている）に示すように基板の固定半透鏡
薄膜方向に力Ｆが生じ、空隙間隔ｄが変化する。ここで
力Ｆは可動半透鏡薄膜７３と可撓梁７４の長さを（ｌ）
とすると、Ｉ×ｌ×Ｂとなる事より、図８に示すよう
に、空隙間隔ｄと電流Ｉは線形関係となる。

【００４９】可動半透鏡薄膜７３と固定半透鏡薄膜７２
とに電圧を印加し発生する静電引力は、空隙間隔ｄの二
乗に反比例し、且つ空隙間隔が３分の２以下になる臨界
電圧Ｖｔにて可動半透鏡薄膜７３が固定半透鏡薄膜方向
７２に引き込まれてしまうが（「崩れ変位」と称す）、
本実施形態で示した光変調器では、変位が電流に比例し
ているために駆動制御が行いやすい。また、崩れ変位が
なく、可動半透鏡薄膜の変位距離を長くとれる。さら
に、電流の流れる方向を変えることにより、可動半透鏡
薄膜を基板側とは逆方向に変位させることも可能であ
る。

【００５０】このことより、本発明の光変調素子は可動
半透鏡薄膜の可動範囲を広くとることができ、単一空隙
間隔となる光変調素子を複数配置し光変調器を構成し、
各光変調素子に流す電流を変えることで、ＲＧＢ３色の
干渉に対して、空隙間隔をそれぞれ変えることができる
光変調器をて提供できる。

【００５１】基板７１はガラスであり、膜厚５０ｎｍの
Ａｌ薄膜の固定半透鏡薄膜７２が設けてある。可動半透
鏡薄膜７３及び可撓梁７４、ポスト７５は、半透鏡とな
るＡｌ膜と１００ｎｍのＩＴＯ膜の２層薄膜からなる。
ポスト７５と可撓梁７４と可動半透鏡薄膜７３は同一膜
厚となるが、可撓梁７４は開口部が設けられていること
で可動半透鏡薄膜７３に比べて剛性を下げることがで
き、力Ｆにより、可撓梁が撓むこととなる。ＩＴＯ膜を
設けたことで、Ａｌ薄膜のみに比べて可動半透鏡薄膜７
３に、より多くの電流を流すことが可能であり可動範囲
を大きくとることが可能である。空隙間隔ｄは３１７ｎ
ｍとしてある。磁石７７、７８はＳｍＣｏを用い、光変
調素子の位置にて０．８Ｔとなるように配置した。固定
半透鏡薄膜７２は、可動半透鏡薄膜７３と同一膜厚のＡ
ｌ膜より成っている。Ａｌ膜の厚みは、反射係数が０．
９となるように調整してある。

【００５２】光変調素子の変調特性について以下に述べ
る。入射光の入射角は０°である。基板下面よりＨｅ−
Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ）を照射した。基板上面
より、レーザー光の透過を観察した。電流を流さない状
態で赤色のレーザー光は透過しており、次に電流を流し
空隙間隔ｄが１６０ｎｍ程度となるように電流１００ｍ
Ａを流すとレーザー光の透過は見られず、基板裏面への
反射光が増した。次に、同素子を用いて、アルゴンイオ
ンレーザー（波長５１４ｎｍ）を基板裏面より照射し、
基板上面より透過光を観察した。電流を３８ｍＡ流すこ
とで緑色のレーザー光が透過し、１２０ｍＡ流すと透過
光は見られず、基板裏面への反射光が増した。次に、同
素子を用いて、アルゴンイオンレーザー（波長４７６ｎ
ｍ）を基板裏面より照射し、基板上面より透過光を観察
した。電流を５０ｍＡ流すことで青色のレーザー光が透
過し、１２６ｍＡ流すと透過光は見られず、基板裏面へ
の反射光が増した。本発明の光変調素子を用いて、赤、
緑、青夫々の色に対し多重光束干渉による変調を行うこ
とができている。

【００５３】この光変調素子を２次元に配置した光変調
器８５を用いて投影型表示装置を製作した（図９）。図
９に示すように赤色の狭波長の光源（Ｒ）、緑色の狭波
長の光源（Ｇ）、青色の狭波長の光源（Ｂ）の３つの光
源を設けている。各々の光源を出た光は、レンズ８６、
８７、８８を通して平行光に整形された後にダイクロイ
ックプリズム８９にて混合され、光変調器に入射する。
そして、光変調器から射出した光線は、投影レンズ９０
を通して拡大投射される。赤、緑、青の光源として、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザー、アルゴンイオンレーザーを用いてお
り、光変調素子に上記に示したと同様の電流を流すこと
で各波長の光のＯＮ、ＯＦＦを制御することが可能とな
るカラー表示像を形成できる投影型表示装置を提供でき
た。同位置の光変調素子にて、赤、緑、青を変調するこ
とができるため、夫々の色に応じた光変調素子を設ける
必要が無い。

【００５４】（第３実施形態）本発明の光変調素子の変
調について図１０を用いて説明する。

【００５５】透過光量は光変調素子の透過率の波長域と
入射光線の重なり部分である。光変調素子の透過率の波
長域は図中斜線を入れた波長域を持つ。図中斜線を入れ
た波長域は、光変調素子の半透明可動膜を変位させない
状態での透過波長域である。そして、その透過波長域に
おいて、透過光の光量が最大となる波長が入射波長より
大きくなるようにしている。光変調素子としては、第２
実施形態にて説明した図７、８に記載の光変調素子を用
いた。使用した光源はアルゴンイオンレーザー（波長４
７６ｎｍ）である。用いた光変調素子の可動半透鏡薄膜
と固定半透鏡薄膜の反射係数は０．８７とした。また、
空隙間隔ｄは３１７ｎｍとし、入射光の入射角は０°で
ある。空隙間隔ｄはδ＞λ／２を満足している。

【００５６】素子を変位させない場合、表示装置として
は「暗」状態となっている。

【００５７】電流量を上げるに従い、透過光の光量が増
し、３８ｍＡで光量が最大となった。電流量を下げるこ
とで、光量が徐々に減っていった。本発明の駆動は、第
１実施形態にて用いた静電引力による変位手段を用いた
光変調素子においても有効である。

【００５８】この光変調素子を用いて図１の表示装置を
製作し、画像を投影した結果、連続諧調が可能であっ
た。連続諧調表示は、空隙間隔を変えることで、光変調
素子の透過率の波長域と入射光線の重なり部分を制御し
て行った。

【００５９】（第４実施形態）図１１には、第４実施形
態の投影型表示装置を示す。図１１は夫々異なる空隙間
隔を有する光変調素子を複数設けた本発明の光変調器の
構成図である。図中では３つのみ表示してある。

【００６０】光変調器はＲＧＢに夫々対応した３種類の
光変調素子からなる。空隙間隔以外の基板、可動半透鏡
薄膜、固定半透鏡薄膜、可撓梁、ポスト等は図２、３で
示した第１実施形態と同様のものを用いている。基板２
００は石英よりなり、可動半透鏡薄膜２０１、２０２、
２０３及び可撓梁（不図示）、ポスト（不図示）は、半
透鏡となるＡｌ膜と１００ｎｍのシリコン窒化膜の２層
薄膜からなる。Ａｌ膜が基板側となるようにしてあり、
また、ポストと可撓梁と可動半透鏡薄膜は同一膜厚とな
っている。窒化膜を設けたことで、Ａｌ薄膜のみに比べ
て可動半透鏡薄膜の剛性を高めることができている。固
定半透鏡薄膜２１１、２１２、２１３は、可動半透鏡薄
膜と同一膜厚のＡｌ膜よりなる。Ａｌ膜の厚みは、反射
係数が０．９となるように調整してある。この光変調素
子では「崩れ変位」を利用した２値の変位制御方式をと
っている。可動半透鏡薄膜と固定半透鏡薄膜との電気的
ショートを避けるために固定半透鏡薄膜上には絶縁層２
１１、２２２、２２３が設けてある。絶縁層は二酸化シ
リコンよりなり、厚みは９２ｎｍである。絶縁層と可動
半透鏡薄膜との空隙間隔は図１１左から１８２ｎｍ、１
２２ｎｍ、１０３ｎｍであり、夫々多重光束干渉にて波
長６３０ｎｍ、５１４ｎｍ、４７６ｎｍの光が、透過率
が最大となるように設定してある。各光変調素子毎に電
圧電源２３１、２３２、２３３が設けられている。

【００６１】この光変調素子を２次元に配置した光変調
器を用いて図９に示した投影型表示装置を製作した。
赤、緑、青の光源としては、赤色ＬＥＤ、アルゴンイオ
ンレーザー、アルゴンイオンレーザーを用いた。電源か
らの印加電圧のＯＮ、ＯＦＦにより可動半透鏡薄膜が絶
縁層に接触、非接触状態となる。これに伴い、各波長の
透過光をＯＮ、ＯＦＦ制御することが可能となってい
る。点灯時間を制御することで投影レンズより投影され
た表示画素毎の諧調を制御することができた。図１に比
べ、本発明の光変調器では、一基板上に赤、緑、青に応
じた光変調素子を並べたことで、１枚の光変調器にてカ
ラー表示が可能な投影型表示装置を形成できた。

【００６２】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、干渉を利
用する機械式光変調器を用いることで光変調素子への入
射光及び光変調素子からの射出光の光利用効率を高める
ことができ、明るい投影型表示装置を提供することが可
能となった。また、光変調器へ入射光と光変調器からの
射出光の光軸が一致することで光学系の位置調整が容易
となり、調整コストを下げられる投影型表示装置を提供
することが可能となった。また、多重光束干渉の透過型
の機械式光変調素子を用いるたことで素子での光吸収を
下げることができ素子温度上昇を低減できる投影型表示
装置を提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影型表示装置の第１の形態を説明す
る為の図である。

【図２】本発明の第１の光変調素子を説明する為の斜視
図でする。

【図３】本発明の第１の光変調素子の駆動説明図である

【図４】本発明の第１の光変調素子の変位特性の説明図
である。

【図５】本発明の固定半透鏡薄膜の構成例を示す断面図
である。

【図６】本発明の複数の光変調素子からなる光変調器の
動作説明図である。

【図７】本発明の第２の光変調素子の構成を説明する上
面図及び断面図である。

【図８】本発明の第２の光変調素子の変位特性の説明図
である。

【図９】本発明の投影型表示装置の第２の形態を説明す
る為の図である。

【図１０】本発明の光変調素子の波長域を説明する図で
ある。

【図１１】本発明の第３の光変調器を説明する断面図で
ある。

【符号の説明】

１、２、３ 光源 ４、５、６、８５、８６、８７ レンズ ７、８、９、８５ 光変調器 １０、８９ ダイクロイックプリズム １１、９０ 投影レンズ ２１、７１、２００ 基板 ２２、７２、２１１、２１２、２１３ 固定半透鏡薄膜 ２３、７３、２０１、２０２、２０３ 可動半透鏡薄膜 ２４、７４ 可撓梁 ２５、７５ ポスト ２６ 配線 ２７、２２１、２２２、２２３ 絶縁層 ２８、２９、２３１、２３２、２３３ 電圧電源 ７７、７８ 磁石 ７９、８０、８１ 電流電源

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板と、前記透明基板上に設置した
   半透明固定膜部と、半透明可動膜とを、空気層を介して
   対峙させてファブリペロー共振器を形成させ、前記半透
   明可動膜を変位させて、入射光を変調する干渉性変調素
   子を使用する投影型表示装置であって、 狭波長域の複数の光源と、 前記複数の光源からの光をそれぞれ変調する複数の前記
   干渉性変調素子と、 前記干渉性変調素子で変調された前記光源からの光を一
   つの光軸に出射させるダイクロイックプリズムと、 前記ダイクロイックプリズムから出射する光を投影する
   投影レンズとを備えることを特徴とする投影型表示装
   置。
2. 【請求項２】 前記干渉性変調素子に入射する光の半値
   全幅に比べて、入射する光の最大光量となる波長に対
   し、前記干渉性変調素子の透過する光の半値全幅が広い
   ことを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
3. 【請求項３】 前記空気層の厚さδが、前記複数の光源
   の各波長λに対し、δ＞ｐ・λ／２（ｐは整数）を満た
   すこと特徴とする請求項１、２のいずれか一つに記載さ
   れた投影型表示装置。
4. 【請求項４】 前記干渉性変調素子に入射する光の半値
   全幅波長域と、非駆動時の前記干渉性素子の透過率の半
   値全幅波長域が重ならないことを特徴とする請求項３記
   載の投影型表示装置。
5. 【請求項５】 駆動時の前記干渉性変調素子の透過波長
   域と入射する光線の波長域での重なり領域により透過光
   の強度変調を行うことを特徴とする請求項１乃至４のい
   ずれか一つに記載された投影型表示装置。
6. 【請求項６】 透明基板と、前記透明基板上に設置した
   半透明固定膜部と、半透明可動膜とを、空気層を介して
   対峙させてファブリペロー共振器を形成させ、前記半透
   明可動膜を変位させて、入射光を変調する干渉性変調素
   子を使用する投影型表示装置であって、 狭波長域の複数の光源と、 前記複数の光源からの光を一つの光軸に出射させるダイ
   クロイックプリズムと、 前記ダイクロイックプリズムから出射する光を変調する
   前記干渉性変調素子と、 前記干渉性変調素子で変調された前記光源からの光を投
   影する投影レンズとを備えることを特徴とする投影型表
   示装置。
7. 【請求項７】 前記半透明導体層と前記半透明可動膜に
   電圧を印加することにより、前記半透明可動膜を変位さ
   せることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに
   記載された投影型表示装置。
8. 【請求項８】 前記半透明可動膜に電流を流す手段と、
   前記半透明可動膜に流れる電流方向に直交し且つ前記半
   透明導体膜に平行となるように磁束密度を生じさせる磁
   界発生手段とを有することを特徴とする請求項１乃至６
   のいずれか一つに記載された投影型表示装置。
9. 【請求項９】 前記光源はレーザー装置であることを特
   徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載された投
   影型表示装置。
10. 【請求項１０】 前記光源は発光ダイオードであること
    を特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載され
    た投影型表示装置。
11. 【請求項１１】 ファブリペロー共振器構造の干渉性変
    調器であって、 透明基板と、 前記透明基板上に設置された半透明固定膜部と前記半透
    明固定膜部と空隙を介して配置された導電性の半透明可
    動膜と、 前記半透明可動膜を支持する可撓梁と、 前記可撓梁を基板より支持するポストと、 前記半透明可動膜を変位させる変位手段とを備え、 前記変位手段は：前記半透明可動膜に電流を流す手段
    と；前記半透明可動膜に流れる電流方向に直交し且つ前
    記半透明層に平行となるように磁束密度を生じさせる磁
    界発生手段とを有することを特徴とする干渉性変調素
    子。