JP2002287047A - 光スイッチング素子、光スイッチングデバイス、それらの製造方法および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光干渉型の光スイッチングデバイスであっ
て、製造が容易で、光学的な性能も向上できる光スイッ
チングデバイスを提供する。 【解決手段】 ハーフミラー２２と反射体４２との距離
を制御する干渉型の光スイッチングデバイス４におい
て、オン位置で反射体４２がハーフミラー２２に密着
し、オフ位置で反射体４２とハーフミラー２２の距離ｄ
１を１３０ｎｍ±５ｎｍにする。これにより、波長４２
０ｎｍから６２０ｎｍの可視光領域でコントラスト比が
１０：１の光スイッチングデバイスを提供することがで
き、反射体４２とハーフミラー２２の距離の管理が容易
になるので、製造上の制約を緩和できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直視型の画像表示
装置あるいはプロジェクタ装置などに用いられる光スイ
ッチング素子、光スイッチングデバイスおよびその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プロジェクタなどにおいて、所望の画像
を形成する画像表示装置として、高速で光をオンオフ可
能なＤＭＤなどの光スイッチングデバイスが知られてい
る。さらに、ＤＭＤのように反射性のミラーの角度を変
えて光をオンフオフするものではなく、反射性のミラー
と半透過性のミラーを用い、それらの距離を変えて光を
制御する干渉型のデバイスが検討されている。図８
（ａ）および（ｂ）に示す干渉型表示素子は初澤ら（T.
IEE Japan, Vol,119-E, No 12,'99,pp631-635）が提案
しているものである。この干渉型のデバイス１００は、
シリコン基板１０１に高反射性のミラー（底部ミラー）
１０２を設け、この底部ミラー１０２の上に適当な間隔
Ｄを空けてハーフミラー１０３を設けたものである。こ
のハーフミラー１０３は、ギャップ間隔を開けるＳｉＯ
₂などの部材がシリコン基板１０１との間に配置されて
いる。

【０００３】この干渉型素子１００は、図８（ｂ）に示
すように、ハーフミラー１０３は透明電極１０４を兼ね
ており、適当な電圧が印加されると基板１０１の側の底
部ミラー１０２と上方のハーフミラー１０３との間に静
電吸引力が働く。したがって、ハーフミラー１０３の位
置が上下方向に制御され、ハーフミラー１０３と底部ミ
ラー１０２との光路差が半波長（λ／２）ずれるに従っ
て干渉が起こり、明暗のコントラスト変化が起こる。例
えば、波長λの単色光を用いた場合は、ハーフミラー１
０３が上下し、底部ミラー１０２との距離Ｄがλ／４変
化すると明暗の変化が起こる。したがって、白色光を用
いて、上下に動くハーフミラー１０３の位置を高精度に
制御すれば、干渉色によりカラー表示も可能となる。こ
のため、この干渉型素子１００を多数集積すると、反射
型のディスプレーを構成できる。そして、従来の白色光
を３原色の各色光に時分割するカラーフィルタなどを用
いるカラー表示方法に比べて、画素の集積度が約３倍に
向上することが期待されている。また、液晶の代わり
に、機械要素であるミラーにすることで、高速な応答が
可能であり、さらに、静電駆動を用いることで、消費電
力を低減できることも期待されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、光干渉型
素子を用いたデバイスは、従来の液晶デバイスより小型
化が容易であり、さらに高速応答が可能で消費電力も少
ないといった多くのメリットを備えている。しかしなが
ら、上記の干渉型のデバイス１００は実用化に向けて多
くの問題を抱えている。その１つは、スイッチングする
色毎にミラーの移動距離を変える必要があり、さらに、
その距離をミクロン単位で制御する必要があることであ
る。たとえば、上記のデバイスでは、ハーフミラー１０
３が上下してスイッチングするが、底部ミラー１０２と
の距離Ｄがλ／４変化すると明暗の変化が起こる。した
がって、底部ミラー１０２の距離をスイッチングする光
の波長の１／４の距離で精度良く制御する必要がある。
そして、スイッチングする光の波長が異なれば、距離Ｄ
を変える必要があり、３原色をスイッチングするために
は少なくとも３種類の移動距離の異なる光スイッチング
素子を１つのデバイスに作り込むか、あるいは、１つの
光スイッチング素子の移動距離を３つの異なる距離に制
御する必要がある。このため、非常に高い寸法精度が要
求されることになり、実際に歩留まり良く製造すること
は困難である。

【０００５】上記のデバイスのように、オフ位置と、オ
ン位置とをそれぞれ波長によって変化させる代わりに、
オフ位置は固定してオン位置だけをスイッチングする波
長で変えることにより、ミラーが動く距離の制御を簡易
にすることが考えられる。しかしながら、オン位置の精
度は、各々の波長の１／４の距離での精度、すなわち、
数１０ｎｍあるいはｎｍ程度さらにはそれ以下の精度が
要求され、スイッチングする波長の異なる光スイッチン
グ素子を同一のデバイスに作り込んだり、１つの光スイ
ッチング素子でスイッチングする距離をｎｍレベルで制
御することが要求される。したがって、光干渉型の光ス
イッチング素子は、サブミクロンオーダでの寸法精度に
加えて、マルチカラーを表現するデバイスを実現するた
めには、寸法の異なる光スイッチング素子を１つのデバ
イスに作り込む必要があるので、構造が複雑になり製造
上の問題が多い。このため、歩留りの向上、およびスイ
ッチングの信頼性を向上させることが難しい。

【０００６】そこで、本発明においては、光干渉型のデ
バイスでありながら、量産性が高く、さらに、低コスト
で提供できる光スイッチング素子およびデバイスを提供
することを目的としている。さらに、光スイッチング素
子の制御回路も組み込むことができる光スイッチングデ
バイスおよびその製造方法を提供することを目的として
いる。また、本発明の光干渉型のデバイスを用いて低コ
ストで高解像度のカラー表示が可能な画像表示装置を提
供することも本発明の目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明におい
ては、各色の光の波長毎に距離を変えるのではなく、１
つの距離で各色の波長をオンオフする光干渉型の光スイ
ッチング素子およびデバイスを提供するようにしてい
る。すなわち、オフ位置のみならず、オン位置も各色の
光の波長に共通な光スイッチング素子およびデバイスを
提供する。このため、本発明の、半透過体と反射体との
距離を変えることにより半透過体に入射した光をオンオ
フ可能な光スイッチング素子においては、反射体が半透
過体に密着するオン位置と、反射体が半透過体から所定
の距離だけ離れるオフ位置とに移動する。

【０００８】本発明の光スイッチング素子は、反射体と
半透過体とを備えた干渉型であるが、モノクロでオンオ
フを制御する光スイッチング素子であり、反射体がハー
フミラー、すなわち半透過体に密着して全反射するオン
位置と、反射体が半透過体から所定の距離だけ離れて干
渉によって出射される光をオフするオフ位置とを有す
る。したがって、オフする位置を、各波長の光を干渉に
よりほぼオフにできる位置に選択することにより、可視
光領域の波長の光を１つの反射体の移動距離でスイッチ
ングすることができる光スイッチング素子を提供でき
る。このため、この光スイッチング素子を２次元に並べ
た光スイッチングデバイスを画像の形成のために採用
し、その光スイッチングデバイスに入射される色を分割
することにより、マルチカラーの画像を出力可能な画像
表示装置を提供できる。特に、本発明の光スイッチング
デバイスと、カラーフィルタとを有する直視型の画像表
示装置、あるいは本発明の光スイッチングデバイスと、
この光スイッチングデバイスに各色の光を順番に供給す
る照明機構と、光スイッチングデバイスから出力された
光をスクリーン上に投影するレンズとを有する画像表示
装置は、単板式でマルチカラーの画像を表示することが
可能である。そして、本発明の光スイッチングデバイス
は、波長の異なる光を干渉により制御するために、寸法
の異なる光スイッチング素子を１つのデバイスに作り込
む必要はないので、構造が簡易となり、製造が容易とな
る。このため、本発明により歩留りを向上でき、信頼性
の高い光スイッチングデバイスを低コストで提供でき
る。

【０００９】可視光領域の光をオフする位置は、反射体
と半透過体との間の光路に沿った距離が１００ｎｍから
１５０ｎｍの範囲とすることが望ましい。光路が反射体
に垂直であれば反射体と半透過体との距離を上記の範囲
にすれば良いが、光路が傾いている場合は、その光路に
沿った距離を上記の範囲にすることが望ましい。この範
囲であれば、各色の波長を含む入射光、すなわち、４２
０ｎｍから６２０ｎｍの波長の光の強度をほぼ３０％以
下にすることが可能であり、１０対３のコントラストを
確保することができる。したがって、さらに高コントラ
ストが要求される場合は、複数の光スイッチングデバイ
スを設け、第１の光スイッチングデバイスから出射され
た光が第２の光スイッチングデバイスの入射光となるよ
うに配置することにより、高コントラストの画像を出力
する画像表示装置を提供できる。また、デバイスのレベ
ルで、複数の光スイッチング素子が、第１の光スイッチ
ング素子の出射光が第２の光スイッチング素子の入力と
なるように直列に配置しても良い。

【００１０】さらに、可視光領域の光をオフする位置
は、反射体と半透過体との間の光路に沿った距離が１２
５ｎｍから１３５ｎｍの範囲とすることが望ましい。こ
の範囲であれば、４２０ｎｍから６２０ｎｍの波長の光
の強度をほぼ１０％以下にすることが可能であり、１０
対１のコントラストを確保することができる。また、さ
らに高コントラストが要求される場合には、直列に配置
するデバイスあるいは素子の数を低減することが可能と
なる。

【００１１】本発明の光スイッチング素子およびデバイ
スにおいては、オン位置で全ての波長の光を、高い強度
で出射できるように反射体を半透過体に密着させる。し
たがって、反射体をオフ位置に駆動し易くするために
は、反射体の半透過体に接する側、または半透過体の反
射体に接する側に吸着防止層を形成することが望まし
い。吸着防止層としては、ＩＴＯ（Indium tin oxide）
などの透明導電膜をコーティングすることができる。

【００１２】本発明の光スイッチング素子は、第１の基
板に半透過体を形成し、第２の基板に反射体と、反射体
をオン位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエ
ータとを重ねて形成し、これら第１および第２の基板、
半透過体と反射体とが対面し、オン位置では、反射体が
半透過体に密着し、オフ位置では、反射体が半透過体か
ら所定の距離だけ離れるように、第１および第２の基板
を組み立てることが望ましい。また、光スイッチングデ
バイスであれば、第１の基板に複数の半透過体を形成
し、第２の基板に複数の反射体と、各々の反射体をオン
位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエータと
を重ねて形成した後に、上記と同様のオン位置およびオ
フ位置となるように、第１および第２の基板を組み立て
ることが望ましい。

【００１３】干渉型の光スイッチングデバイスの半透過
体と、反射体とを１つの基板上に配置するのではなく、
異なる基板に配置して、それらの基板を合わせることに
より干渉型のデバイスを構成し、さらに、反射体を、半
透過体と反射体との距離（位置）を制御するアクチュエ
ータに重ねて形成することにより、半透過体および反射
体の機能をアクチュエータの機能と分離し、それぞれを
最適化できる。また、透過体および反射体を別基板で製
造するので、それぞれの構造体を製造する歩留まりが、
分散あるいは独立となり、これらを１つの基板に作成し
ていたときのように歩留まりが重なって、光スイッチン
グ素子あるいは光スイッチングデバイスの歩留まりが低
下するのを防止できる。このため、低コストで性能の良
い、干渉型の光スイッチング素子および光スイッチング
デバイスを提供することができる。

【００１４】このような構成および製造方法の光スイッ
チングデバイスであれば、反射体は、アクチュエータを
兼ねる必要がないため、アクチュエータにはピエゾなど
を用いることも可能である。これに対して、電極を積層
する静電型のアクチュエータであれば、フォトリソグラ
フィー技術を用いて、サブミクロンオーダのサイズで製
造することができる。さらに、消費電力が低くなる等の
メリットもあるので適している。

【００１５】また、静電型のアクチュエータにおいて
は、オフ位置で第１および第２の電極の距離が最小とな
る。したがって、これらの電極の最小間隔を設定するス
トッパーを形成することにより、上述した特定の光路
差、すなわち、１００ｎｍ〜１５０ｎｍ、あるいは１２
５ｎｍ〜１３５ｎｍの距離にオフ位置を確実に制御で
き、これを超えるようなオーバランを防止できる。ま
た、ストッパーで停止する機構とすることにより、反射
体が途中で止まらずにオフ位置まで確実に駆動できるよ
うな力を静電型アクチュエータで発揮する構成にでき、
オフ位置の制御が簡易となる。

【００１６】さらに、第２の基板に対してアクチュエー
タにより駆動される光学素子が反射型であるので、第２
の基板は透明である必要はない。したがって、第２の基
板としてシリコン基板などの半導体回路を形成するが容
易で実績のある基板を用いることができる。このため、
半導体基板を用いて、この半導体基板にアクチュエータ
を積層し、各々の光スイッチング素子を駆動する制御回
路を第２の基板に組み込むことが容易であり、駆動回路
付きの光干渉型の光スイッチングデバイスを低コストで
提供することができる。

【００１７】このように、本発明の光スイッチングデバ
イスであれば、構造が単純になるので、歩留まりが向上
し量産性が増す。また、本発明の光スイッチングデバイ
スは反射型なので、上述したように、反射型の液晶パネ
ルと同様の直視型の画像表示装置を提供できる。そし
て、液晶パネルより高速で、高解像度であり、さらに、
消費電力も少ない画像表示装置を提供でき、携帯電話な
どの表示パネルとして採用することが可能である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。図１に、本発明の光スイッチ
ングデバイス４を備えたプロジェクタ装置１の概略構成
を示してある。このプロジェクタ装置１は、光スイッチ
ングデバイス４に、各色の光を順番に供給する照明機構
２を備えている。本例の照明機構２は、キセノンランプ
などの白色光７１Ｗを出力する光源部２ａと、この光源
部２ａからの白色の光束７１Ｗを時分割する回転式のカ
ラーフィルタ２ｂと、ここから照射される各色の光束７
１Ｒ、７１Ｇまたは７１Ｂを、直角に反射可能なビーム
スプリッタ３とを備えている。

【００１９】カラーフィルタ２ｂおよびビームスプリッ
タ３の光路上には、光束を平行化して導くコンデンサー
レンズ２ｃと、たとえばＳ偏光の光束のみを通す偏光板
７が配置されている。そして、偏光された各色の光束７
１Ｒ、７１Ｇまたは７１Ｂは、ビームスプリッタ３で垂
直に光スイッチングデバイス４に反射される。光スイッ
チングデバイス４は光スイッチング素子が２次元に配置
されており、各々がオンオフして画像を形成する。ビー
ムスプリッタ３とデバイス４との間には、１／４波長板
（白色用）８が設置されており、光スイッチングデバイ
ス４でオンオフされた画像を形成する各色の光７２Ｒ、
７２Ｇまたは７２ＢはＰ偏光になり、ビームスプリッタ
３を通過する。そして、レンズシステム６に達し、スク
リーン７に投写されてカラー画像が表れる。なお、本例
では、本図および以下の図において、赤色の光７１Ｒが
オンオフされる様子を図示するが、他の緑色の光７１Ｇ
および青色の光７１Ｂも同様である。また、Ｓ偏光およ
びＰ偏光は逆にしても、もちろん良い。

【００２０】本例の光スイッチングデバイス４は、、す
なわちハーフミラーと反射体とを備えた光スイッチング
素子が２次元に配列された干渉型のスイッチングデバイ
ス４であり、各々の光スイッチング素子を駆動する回路
を内蔵している。したがって、制御機構５から供給され
た画像データφに従って駆動回路が個々の画素を表示す
る光スイッチング素子をスイッチングし、画像表示デバ
イスであるスイッチングデバイス４により変調された表
示光７２が出力される。

【００２１】図２に、本例の光スイッチングデバイス４
の概略構成を模式的に示してある。本例の光スイッチン
グデバイス４は、第２の基板となる半導体基板３１と、
この半導体基板３１に重ねられた第１の基板となるほぼ
透明なガラス基板２１とを有し、このガラス基板２１の
下方の面（表面）２１ａに、ハーフミラー２２あるいは
ハーフミラー膜２２ａが形成されている。さらに、その
表面にＩＴＯなどの透明導電膜がコーティングされて吸
着防止膜２５が形成されている。

【００２２】一方、半導体基板３１は、その上方の面
（表面）３１ａに、静電型のアクチュエータ３３と反射
体４２とが基板３１の側（下側）からこの順番で積層さ
れている。アクチュエータ３３は２次元に配列されてお
り、また、アルミニウム製の反射体４２も、各々の反射
体４２がアクチュエータ３３により上下方向に駆動され
るように２次元に配列されている。したがって、個々の
反射体４２は、個々のアクチュエータ３３に連結されて
おり上下に動く。

【００２３】アクチュエータ３３は、静電駆動型であ
り、反射体４２が機械的に連結された上電極３４と、こ
の上電極３４と対峙するように基板の表面３１ａに形成
された下電極３５を備えている。上電極３４は、弾性部
材としての機能を備えており、電極３４および３５の間
で静電力（静電吸引力）が働かないときは、弾性力によ
って反射体４２を上方に加圧する。また、半導体基板３
１には、これらのアクチュエータ３３を駆動する駆動回
路（制御回路）３８、さらには必要に応じてメモリなど
が作り込まれている。

【００２４】上側の面３１ａに反射体４２が形成された
半導体基板３１と、下側の面２１ａにハーフミラー２２
が形成されたガラス基板２１とは、反射体４２の反射面
４１とハーフミラー２２の下面（ハーフミラーの表面）
２２ａとが向かい合うように組み合わされており、それ
らの距離は基板３１の周囲、またはアクチュエータ３３
の間に形成され壁３９によって一定に保持されている。
さらに、下電極３５の周囲には、上方に突き出た形状の
突起５０が形成され、上電極３４には突起５０に対峙す
る位置にディンプル５１が形成されており、これらによ
り、上電極３４と下電極３５との最小距離を正確に確保
するストッパー５２が構成されている。このため、上電
極３４と下電極３５が最も近づいたときに、ハーフミラ
ー２２と反射体４２とは最も離れて距離ｄ１となるが、
その距離ｄ１が精度良く実現でき、オーバランも防止す
ることができる。一方、半導体基板３１とガラス基板２
１との距離は、上電極３４と下電極３５と離れたとき
に、上電極３４のばね弾性で反射面４１がハーフミラー
２２に密着するような距離に設定されている。このた
め、その位置では、ガラス基板２１に入射した光をアル
ミニウム製の反射面４１により高い反射率で光をほぼ垂
直に反射することができる。

【００２５】このように本例の光スイッチングデバイス
４は、半導体基板３１の上にアクチュエータ３３と、反
射体４２と、ハーフミラー２２を備えた透明基板２１と
が積層された構成となっており、半導体基板３１に作り
込まれた駆動回路３８と、アクチュエータ３３と、反射
体４２と、これに対面するハーフミラー２２によって１
つの光スイッチング素子１０が形成されている。さら
に、光スイッチングデバイス４の全体に複数の光スイッ
チング素子１０が２次元方向にアレイ状に配置あるいは
集積された形態となっており、各々の光スイッチング素
子が画像を形成する単位である画素に対応させて制御す
ることにより２次元画像を表現できる。

【００２６】図２の左側に示した光スイッチング素子１
０ａはオフ状態であり、図２の右側に示した光スイッチ
ング素子１０ｂはオン状態である。本例の光スイッチン
グ素子１０では、駆動回路３８により、アクチュエータ
３３を構成する電極３４および３５の間に適当な駆動電
圧が印加されると、アクチュエータ３３の下電極３５と
上電極３４との間で静電力が働き、反射体４２が下方向
に駆動される。このため、反射体４２の反射面４１と、
対面するガラス基板２１の上のハーフミラー２２とが離
れて距離ｄ１となる。この距離ｄ１は、ハーフミラー２
２により反射された可視光と、反射体４２により反射さ
れた可視光とが干渉して弱め合う距離になっており、こ
の状態、すなわち、光スイッチング素子１０ａの状態が
オフ状態である。

【００２７】一方、駆動回路３８により駆動電圧が印加
されなくなると、上電極３４の弾性によって反射体４２
は上方向に駆動される。このため、反射体４２とハーフ
ミラー２２は密着し、反射面４１により反射された光と
ハーフミラー２２で反射された光の間には、干渉がない
ので入射光は略そのまま出射される。したがって、光ス
イッチング素子１０ｂの状態がオン状態である。

【００２８】このように、本例の光スイッチングデバイ
ス４では、アクチュエータ３３に供給される駆動電圧を
制御することにより、各々の光スイッチング素子１０を
オンオフすることが可能である。

【００２９】図３ないし図５に、オフ位置おける反射体
４２とハーフミラー２２との距離（光路差）ｄ１を変え
たときの可視領域における各波長（４００ｎｍ〜７００
ｎｍ）の強度を示している。

【００３０】図３（ａ）は、オフ位置の距離ｄ１を１２
５ｎｍとしたときに、本例の光スイッチングデバイス４
から出射される光の強度であり、図３（ｂ）は、距離ｄ
１を１３０ｎｍ、図３（ｃ）は、距離ｄ１を１３５ｎｍ
としたときの強度である。等色関数を考慮すると、青色
の光の感度が急激に上昇する波長４２０ｎｍから、赤色
の光の感度が急激に低下する波長６２０ｎｍの範囲を可
視光ＣＲの範囲とし、この範囲の波長の光を干渉によっ
て強度を十分に下げることができれば、オフ位置で可視
光をオフできると考えてよい。これらの図３（ａ）〜
（ｃ）から分るように、上記の距離ｄ１（１２５〜１３
５ｎｍ）にオフ位置を設定すると、４２０ｎｍから６２
０ｎｍの範囲の波長の光の強度を０．１以下に弱めるこ
とができる。したがって、オン位置で入射された光が全
て反射されると考えると、オフ位置の距離ｄ１を１２５
ｎｍ〜１３５ｎｍの範囲、すなわち、１３０±５ｎｍの
範囲とすることによりオンオフのコントラスト比１０：
１以上を得ることができる。

【００３１】これに対して、図４（ａ）にはオフ位置の
距離ｄ１を１００ｎｍとしたとき、図４（ｂ）には距離
ｄ１を１１０ｎｍとしたとき、および、図４（ｃ）には
距離ｄ１を１２０ｎｍとしたときに本例の光スイッチン
グデバイス４から出射される光の強度を示してある。こ
れらの図から分るように、距離ｄ１が１２０ｎｍから１
００ｎｍの範囲では、可視光領域ＣＲの光の強度は最高
で０．３程度になる。したがって、この範囲であっても
１０：３程度のコントラスト比を確保することができ
る。しかしながら、長波長領域、すなわち赤色側での反
射光の強度が高くなってしまい、１０：１程度あるいは
それ以下のコントラスト比を得ることは難しくなる。

【００３２】また、図５（ａ）にはオフ位置での距離ｄ
１を１４０ｎｍとした場合を、図５（ｂ）には距離ｄ１
を１４５ｎｍとした場合を、図５（ｃ）には距離ｄ１を
１５０ｎｍとした場合に本例の光スイッチングデバイス
４から出射される光の強度を示してある。これらの図か
ら分るように、距離ｄ１が１４０ｎｍ以上になると、可
視光領域ＣＲの光の強度の最高は０．３程度になる。し
たがって、この範囲であっても１０：３程度のコントラ
スト比を確保することができる。しかしながら、短波長
領域、すなわち青色側での反射光の強度が高くなってし
まい、１０：１程度あるいはそれ以下のコントラスト比
を得ることは難しくなる。

【００３３】このように、本例の光スイッチングデバイ
ス４では、オフ位置における反射体４２とハーフミラー
２２との距離ｄ１を１００ｎｍから１５０ｎｍにするこ
とにより、１０：３のコントラスト比を確保することが
できる。一方、距離ｄ１を１２５ｎｍ〜１３５ｎｍの範
囲に設定することで、コントラスト比を１０：１まで高
めることが可能である。したがって、これらのコントラ
スト比が得られれば良い用途においては、本例の光スイ
ッチングデバイス４を単独で使用することにより、画像
を形成したり、それを投影することが可能である。一
方、さらに高いコントラスト比が要求される用途におい
ては、第１の光スイッチングデバイスあるいは光スイッ
チング素子から出力された光を第２の光スイッチングデ
バイスあるいは光スイッチング素子の入力として、さら
にスイッチングするアレンジを採用する。これにより、
コントラスト比を高くすることが可能であり、高コント
ラスト比が要求される用途の画像表示装置にも本発明の
光スイッチング素子およびデバイスを適用することがで
きる。

【００３４】そして、本例の光スイッチングデバイス４
では、１つのオンオフの位置の組み合わせ、すなわち、
オフ位置の距離ｄ１が１つで、各色の光７１Ｒ、７１Ｇ
および７１Ｂをオンオフすることができる。従来の光干
渉型の光スイッチング素子においては、各色の光の波長
λＲ、λＧおよびλＢに応じた距離ｄｒ、ｄｇおよびｄ
ｂをオン位置あるいはオフ位置にしていたのに対し、本
例の光スイッチングデバイスでは、オン位置は距離が
０、すなわち、反射体４２とハーフミラー２２が密着し
た位置とし、オフ位置における距離ｄ１を上述した範囲
に定めることにより、可視光領域ＣＲの光を一括してオ
ンオフすることができる。

【００３５】たとえば、コントラスト比を１０：１に設
定したとしても、本例の光スイッチングデバイス４は、
全ての光スイッチング素子１０のオフ位置ｄ１を、１３
０ｎｍを中心に公差±５ｎｍ程度の範囲で製造すること
により、設定条件をクリアできる。そして、照明機構２
の側で各色の光を順番に光スイッチングデバイス４に供
給することにより、全ての色の光を同一の条件、すなわ
ち、移動距離ｄ１でオンオフし、マルチカラーの画像を
表示することができる。したがって、本例の光スイッチ
ングデバイスは、干渉型の光スイッチングデバイスであ
りながら、寸法精度は緩やかで良く、高性能の光スイッ
チング素子およびデバイスの歩留まりを向上でき、品質
の良い光スイッチングデバイスを低コストで供給でき
る。

【００３６】図６（ａ）〜（ｄ）に、本例の光スイッチ
ングデバイス４の製造プロセスの概要を示してある。ま
ず、図６（ａ）に示すように、予め駆動回路３８などが
ＣＭＯＳ回路で作り込まれた半導体基板（第２の基板）
３１の表面３１ａに、アクチュエータ３３を製造する。
このプロセスは、図示していないが、シリコンなどの適
当な材質の犠牲層を用いたフォトリソグラフィー技術を
用いて製造できる。たとえば、先ず、基板の表面３１ａ
に電極層（Ａｌ膜）をディポジットし、パターニングし
て下電極３５とバネを兼ねた上電極３４の構造のアンカ
ー部分３６を形成する。さらに、下電極３５の周囲に、
上電極３４のディンプル５１に対応する位置に突起５０
を形成してストッパーを構成する。そして、不図示の犠
牲層を挟み、この犠牲層の上にバネを兼ねた上電極３４
となる層（Ａｌ膜）をディポジットする。このＡｌ層を
パターニングして、上電極３４およびそれを基板３１で
支持するポスト３６を形成する。犠牲層の除去はいつの
タイミングでも可能であるが、可動する上電極３４を保
護するため、素子分離などの最終段階で除去することが
望ましい。

【００３７】次に、図６（ｂ）に示すように、上電極３
４に機械的に支持されるようにアルミニウム製の反射体
４２を製造する。このプロセスは、アクチュエータ３３
に積層するように、上記と同様に犠牲層を用いたフォト
リソグラフィー技術により反射体４２を形成することも
可能である。これにより、各画素の単位で反射体４２を
アクチュエータ３３で上下に駆動する構造が形成され
る。このタイミングで、アクチュエータ３３を構成する
ための犠牲層を含めて除去することもできる。なお、図
示していないが、アクチュエータ３３および反射体４２
を製造するプロセスと同時に、壁３９も半導体基板３１
の上に製造する。

【００３８】一方、図６（ａ）および（ｂ）に示した第
２の基板である半導体基板３１の上に構造物を製造する
工程と前後して、あるいは同時に、図６（ｃ）に示すよ
うに、第１の基板であるガラス基板２１にハーフミラー
２２を形成するプロセスを行う。このプロセスでは、ガ
ラス基板２１の表面２１ａに、各画素の単位でハーフミ
ラー２２を形成する。あるいは、ガラス基板２１の表面
２１ａの全体にわたりハーフミラー２２を形成しても良
く、画素あるいは素子単位で駆動する反射体４２と組み
合わされることで、画素単位で制御できる光スイッチン
グ素子を構成できる。ハーフミラー２２は、例えば、フ
ッ化マグネシウムや氷晶石などの屈折誘電体の１／４λ
の層と、硫化亜鉛などの高屈折誘電体の１／４λの層を
交互に積層することにより形成できる。そして、画素単
位で分離する場合は、エッチングなどの公知の方法を適
用できる。

【００３９】さらに、ハーフミラー２２の上面（ハーフ
ミラー膜）２２ａを含むガラス表面２１ａに、ＩＴＯな
どの透明導電膜を吸着防止用の膜２５として設ける。ハ
ーフミラー２２の上面２２ａに反射体４２の表面４１が
密着する際に、吸着防止層２５を挟むことになる。この
吸着防止層２５は、反射面４１とハーフミラーの表面２
２ａを積極的に同電位（ＧＮＤ）にすることが可能であ
る。このため、ハーフミラー２２が電気的に浮いている
場合でも、ハーフミラー２２の表面２２ａがチャージア
ップし、このハーフミラーの表面２２ａと対向する反射
面４１とが静電吸着することを防止できる。したがっ
て、反射体４２を駆動するためのアクチュエータ３３の
消費電力を低減でき、また、反射体４２の駆動速度を向
上することができる。ＩＴＯ層などの吸着防止膜２５
は、反射体４２の側に設けても良い。

【００４０】そして、図６（ｄ）に示すように、ハーフ
ミラー２２が形成されたガラス基板２１と、アクチュエ
ータ３３および反射体４２が形成された半導体基板３１
を、ハーフミラーの表面２２ａと反射面４１とが対面す
るように組み合わせる。基板２１および３１との間隔
は、光スイッチング素子１０の周囲に形成された柱３９
により、上述したように、アクチュエータ３３で反射体
４２をオフ位置へ駆動した際にハーフミラー２２と反射
体４２と間が距離ｄ１となり、オン位置で駆動したとき
に反射体４２がハーフミラー２２に密着するように設定
する。

【００４１】このように、本例の光スイッチングデバイ
ス４では、ハーフミラー２２を第１の基板であるガラス
基板２１に設け、反射体４２を第２の基板である半導体
基板３１に設けてある。ハーフミラー２２と、反射体４
２とを異なる基板２１および３１の上に形成することに
より、これらの基板２１および３１を並列で製造でき、
製造工程を短縮し、また、簡略化できるだけでなく、光
学的な特性も改善できるなどの多くのメリットがある。
すなわち、図８を参考に説明したように、現在提案され
ている光干渉型の装置は１枚の基板上にスイッチング素
子を構成しているために、電極と反射体あるいは半透過
体とを兼ねた構造が要求されている。したがって、製造
工程が複雑になったり、光学的な特性の改善が難しく、
さらに駆動回路を容易には組み込めないといった欠点が
ある。

【００４２】これに対し、本例の光スイッチングデバイ
ス４においては、まず、ハーフミラー２２と反射体４２
とを別々の基板上に製造できるので、歩留まりが相乗さ
れて悪化することがなく、極めて製造しやすい。そし
て、反射体４２を別基板である半導体基板３１で支持し
ているので、半導体基板３１の上にアクチュエータ３３
を積層することが可能となり、アクチュエータ３３とし
て静電型に限らず、ピエゾなどのタイプも採用可能とな
る。そして、反射体４２およびハーフミラー２２が電極
を兼用する必要が無くなるので、これらの両端が基板に
固定されたり、支柱に固定されたりすることがない。し
たがって、スイッチングする間に撓んだり歪んだりする
可能性が非常に低くなり、オフ位置で設定した距離ｄ１
となるように反射体４２およびハーフミラー２２を制御
できる。このため、本例の光スイッチングデバイス４
は、距離ｄ１の公差も十分に確保できることもあり、所
望の性能の光スイッチングデバイスを歩留まり良く製造
することができる。

【００４３】また、第２の基板３１は、反射体４２の反
対側に位置することになるので、透明基板である必要は
なく、半導体基板として駆動回路を従来の半導体基板を
製造するプロセスで作り込むことができる。また、反射
体４２の反射面４１が第２の基板３１の外面を向き、ま
た、ハーフミラー２２の面２２ａが外側を向くので、吸
着防止膜を塗布するなどの処理がし易いなど、本例の光
スイッチングデバイス４は反射性能の高い光スイッチン
グデバイスとするのに適した構成となっている。このよ
うに、本例の光スイッチングデバイス４は光干渉型であ
りながら、ハーフミラー２２と反射体４２とを別々の基
板上に構成することにより、光干渉型の光スイッチング
素子の各々の構成を最適化することが可能となってお
り、高性能の光スイッチングデバイス４を低コストで提
供することができる。もちろん、基板（第の基板）３１
は、上記の半導体基板に限らず、アクチュエータ３３を
支持できる基板であれば、本発明の効果が得られる。

【００４４】そして、本例の光スイッチングデバイス４
では、各色の波長毎にオンオフの位置を変える必要がな
いので、複数のアレイ状に配置された光スイッチング素
子１０を、全て同じで比較的単純な構成で形成できる。
つまり、各色の波長に応じた距離となるように、ハーフ
ミラーと反射体の距離および電極間の距離を複雑に制御
あるいは設計・製造する必要はなく、スイッチングする
光の波長に依存しない構造を採用でき、アクチュエータ
の制御においても光の波長に依存しない条件でオンオフ
できる。この点においても、構造を簡略化でき、さらに
信頼性の高い光スイッチングデバイス４を提供できる。
このため、光スイッチングデバイス４の寸法上の制約を
緩め、製造の容易化を実現でき、量産性のある光スイッ
チングデバイス４を提供できる。

【００４５】なお、上記では、光スイッチングデバイス
４に対し垂直に光が入射する画像表示装置を例に説明し
ているが、斜めに光が入射して出力される光スイッチン
グデバイスに対しても本発明を適用することができる。
この場合は、その入射および出射光路に沿った距離を上
記のｄ１の範囲に設定することが望ましい。

【００４６】また、照明機構２において、回転型のカラ
ーフィルタ２ｂを採用し、これにより時分割して所望の
色を光スイッチングデバイス４に照射する例を示してい
るが、これに限られない。例えば、光源部に各色のＬＥ
Ｄを用いて、各色の光を順番に光スイッチングデバイス
に照射できる照明機構であれば良い。また、単板式に限
らず、同一の構成、すなわち、オフ位置が同じ光スイッ
チングデバイスを３組用いてダイクロイックミラーを用
いた光学系と組み合わせて３板式のプロジェクタを構成
することも可能である。

【００４７】さらに、図３ないし５に示したように、波
長が４２０ｎｍ〜６２０ｎｍの範囲を超えるとコントラ
スト比が悪化する傾向になるので、照明機構２におい
て、白色光を色分離すると共に、ダイクロイックミラー
あるいはプリズムを用いて４２０ｎｍ以下の波長の光
や、６２０ｎｍ以上の波長の光をカットして光スイッチ
ングデバイス４に照射し、コントラスト比を向上させる
ことも可能である。

【００４８】また、上記では、光スイッチング素子１０
をアレイ状に並列に配置した例を示しているが、複数の
光スイッチング素子１０あるいは光スイッチングデバイ
ス４を用いて、光をシリーズに変調し、コントラスト比
を向上できることは上述した通りである。

【００４９】さらに、本発明のスイッチングデバイス４
は反射型なので、図７に示すように、カラーフィルタ８
１を重ねて配置し、用いて反射型の液晶パネルと同様の
直視型の画像表示装置８０を提供できる。そして、液晶
パネルより高速で、高解像度であり、さらに、消費電力
も少ない画像表示装置を提供でき、携帯電話などの表示
パネルとして採用することが可能である。

【００５０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、オン位置で反射体と半透過体が密着し、オフ位置で
反射体と半透過体とを可視光領域の光を干渉でオフでき
る距離にしている。特に、オフ位置の距離を１３０ｎｍ
±５ｎｍ程度にすることにより、１０：１というコント
ラストを実現できる。このため、本発明により、干渉型
の光スイッチングデバイスにおいて、その寸法上の制約
を緩め、製造を容易にでき、信頼性の高い光スイッチン
グデバイスを低コストで提供できる。

【００５１】さらに、本発明は、ハーフミラー、すなわ
ち半透過体と反射体との距離を制御する干渉型の光スイ
ッチングデバイスに関するものであり、半透過体と、反
射体とを異なる基板に形成することにより、歩留まりが
相乗されて製品不良が増加するのを防止することができ
るなどの製造上のメリットを得ることができる。それと
共に、反射体を別基板である半導体基板で支持すること
により、反射体とアクチュエータとしての機能を分離す
ることが可能となり、光学的性能を向上しやすく、さら
に、半導体基板に駆動回路を組み込むことができるなど
の上記にて開示した多種多様の効果を得ることができ
る。このため、本発明により、歩留りの高い、またスイ
ッチングの信頼性も高い光スイッチングデバイスを提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光スイッチングデバイスを用いた
プロジェクタ装置の概要を示す図である。

【図２】図１に示す光スイッチングデバイスにおける光
スイッチング素子のオン状態またはオフ状態を示す図で
ある。

【図３】図２に示す、反射体およびハーフミラーとの距
離ｄ１が１２５ｎｍ〜１３５ｎｍの範囲の光スイッチン
グデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示
すグラフである。

【図４】図２に示す、反射体およびハーフミラーとの距
離ｄ１が１００ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲の光スイッチン
グデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示
すグラフである。

【図５】図２に示す、反射体およびハーフミラーとの距
離ｄ１が１４０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲の光スイッチン
グデバイスから出射される光の波長と強度との関係を示
すグラフである。

【図６】図２に示す光スイッチングデバイスの製造プロ
セスを模式的に示す図である。

【図７】本発明に係る光スイッチングデバイスを用いた
直視型の表示装置の概要を示す図である。

【図８】従来の干渉型の光スイッチングデバイスの一例
を示す概略図である。

【符号の説明】

１ プロジェクタ ２ 照明機構 ２ａ 白色光源、２ｂ カラーフィルタ、２ｃ
コンデンサーレンズ ３ ビームスプリッタ ４ 光スイッチングデバイス ５ 制御機構 ６ 投写レンズ ７ スクリーン １０ 光スイッチング素子 ２１ ガラス基板（第１の基板） ２２ ハーフミラー、２２ａ ハーフミラーの表面 ２５ 吸着防止層 ３１ 半導体基板（第２の基板） ３３ アクチュエータ ３４ 上電極 ３５ 下電極 ３８ 駆動回路 ３９ 壁（支柱） ４１ 反射面 ４２ 反射体 ５０ ストッパー ７１ 入射光 ７２ 出力される表示光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 26/00 Ｇ０２Ｂ 26/00 27/18 27/18 Ｚ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｚ 21/14 21/14 Ｚ Ｈ０４Ｎ 5/66 Ｈ０４Ｎ 5/66 Ｚ 5/74 5/74 Ｂ

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半透過体と反射体との距離を変えること
   により前記半透過体に入射した光をオンオフ可能な光ス
   イッチング素子であって、 前記反射体が前記半透過体に密着するオン位置と、前記
   反射体が前記半透過体から所定の距離だけ離れるオフ位
   置とに移動する光スイッチング素子。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記オフ位置では、
   前記反射体と前記半透過体との間の光路に沿った距離が
   １００ｎｍから１５０ｎｍの範囲となる光スイッチング
   素子。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記オフ位置では、
   前記反射体と前記半透過体との間の光路に沿った距離が
   １２５ｎｍから１３５ｎｍの範囲となる光スイッチング
   素子。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記半透過体の前記
   反射体と接する側、または前記反射体の前記半透過体と
   接する側に吸着防止層が形成されている光スイッチング
   素子。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記反射体を前記オ
   ン位置およびオフ位置に移動するアクチュエータを有す
   る光スイッチング素子。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記アクチュエータ
   は静電型である光スイッチング素子。
7. 【請求項７】 請求項６において、半導体基板を有し、
   この半導体基板に前記アクチュエータが積層されている
   光スイッチング素子。
8. 【請求項８】 請求項６において、前記アクチュエータ
   は、第１および第２の電極を備えており、これら電極の
   最小間隔を設定するストッパーが形成されている光スイ
   ッチング素子。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の複数の光スイッチング
   素子が２次元に配置されている光スイッチングデバイ
   ス。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の複数の前記光スイッ
    チング素子が、第１の前記光スイッチング素子の出射光
    が第２の前記光スイッチング素子の入力となるように直
    列に配置されている光スイッチングデバイス。
11. 【請求項１１】 請求項９において、前記半透過体が形
    成された第１の基板と、前記反射体およびこの反射体を
    前記オン位置およびオフ位置に移動するアクチュエータ
    とが重ねて形成された第２の基板とを有する光スイッチ
    ングデバイス。
12. 【請求項１２】 請求項１１おいて、前記第２の基板は
    半導体回路を備えている光スイッチングデバイス。
13. 【請求項１３】 請求項１１において、前記アクチュエ
    ータは静電型である光スイッチングデバイス。
14. 【請求項１４】 請求項１１において、前記半透過体お
    よび反射体の距離が一定の値以外にならないようにする
    ストッパーを備えている光スイッチングデバイス。
15. 【請求項１５】 請求項９に記載の光スイッチングデバ
    イスと、カラーフィルタとを有する直視型の画像表示装
    置。
16. 【請求項１６】 請求項９に記載の光スイッチングデバ
    イスと、 この光スイッチングデバイスに各色の光を順番に供給す
    る照明機構と、 前記光スイッチングデバイスから出力された光をスクリ
    ーン上に投影するレンズとを有する画像表示装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６において、前記照明機構
    は、白色光を照射する光源と、この白色光を時分割する
    カラーフィルタとを備えている画像表示装置。
18. 【請求項１８】 請求項１６において、複数の前記光ス
    イッチングデバイスを有し、第１の前記光スイッチング
    デバイスから出射された光が第２の前記光スイッチング
    デバイスの入射光となるように配置されている画像表示
    装置。
19. 【請求項１９】 半透過体と反射体との距離を変えるこ
    とにより前記半透過体に入射した光をオンオフ可能な光
    スイッチング素子の製造方法であって、 第１の基板に前記半透過体を形成する第１の工程と、 第２の基板に前記反射体と、反射体をオン位置およびオ
    フ位置に移動する複数のアクチュエータとを重ねて形成
    する第２の工程と、 前記半透過体と前記反射体とが対面し、前記オン位置で
    は、前記反射体が前記半透過体に密着し、前記オフ位置
    では、前記反射体が前記半透過体から所定の距離だけ離
    れるように前記第１および第２の基板を組み立てる第３
    の工程とを有する光スイッチング素子の製造方法。
20. 【請求項２０】 請求項１９において、前記第３の工程
    では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
    との間の光路に沿った距離を１００ｎｍから１５０ｎｍ
    の範囲とする光スイッチング素子の製造方法。
21. 【請求項２１】 請求項１９において、前記第３の工程
    では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
    との間の光路に沿った距離を１２５ｎｍから１３５ｎｍ
    の範囲とする光スイッチング素子の製造方法。
22. 【請求項２２】 請求項１９において、前記第１の工程
    では、前記反射体に面する側に吸着防止層を形成する光
    スイッチング素子の製造方法。
23. 【請求項２３】 請求項１９において、前記第２の工程
    では、静電型の前記アクチュエータを形成する光スイッ
    チング素子の製造方法。
24. 【請求項２４】 請求項２３において、前記第２の工程
    では、前記アクチュエータの第１および第２の電極の最
    小間隔を設定するストッパーを形成する光スイッチング
    素子の製造方法。
25. 【請求項２５】 請求項１９おいて、前記第２の基板は
    半導体基板であり、前記アクチュエータの駆動回路を備
    えている光スイッチング素子の製造方法。
26. 【請求項２６】 半透過体と反射体との距離を変えるこ
    とにより前記半透過体に入射した光をオンオフ可能な光
    スイッチング素子が２次元に配置された光スイッチング
    デバイスの製造方法であって、 第１の基板に複数の前記半透過体を形成する第１の工程
    と、 第２の基板に複数の前記反射体と、各々の反射体をオン
    位置およびオフ位置に移動する複数のアクチュエータと
    を重ねて形成する第２の工程と、 前記半透過体と前記反射体とが対面し、前記オン位置で
    は、前記反射体が前記半透過体に密着し、前記オフ位置
    では、前記反射体が前記半透過体から所定の距離だけ離
    れるように前記第１および第２の基板を組み立てる第３
    の工程とを有する光スイッチングデバイスの製造方法。
27. 【請求項２７】 請求項２６において、前記第３の工程
    では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
    との間の光路に沿った距離を１００ｎｍから１５０ｎｍ
    の範囲とする光スイッチングデバイスの製造方法。
28. 【請求項２８】 請求項２６において、前記第３の工程
    では、前記オフ位置における前記反射体と前記半透過体
    との間の光路に沿った距離を１２５ｎｍから１３５ｎｍ
    の範囲とする光スイッチングデバイスの製造方法。
29. 【請求項２９】 請求項２６において、前記第１の工程
    では、前記反射体に面する側に吸着防止層を形成する光
    スイッチングデバイスの製造方法。
30. 【請求項３０】 請求項２６において、前記第２の工程
    では、静電型の前記アクチュエータを形成する光スイッ
    チングデバイスの製造方法。
31. 【請求項３１】 請求項３０において、前記第２の工程
    では、前記アクチュエータの第１および第２の電極の最
    小間隔を設定するストッパーを形成する光スイッチング
    デバイスの製造方法。
32. 【請求項３２】 請求項２６おいて、前記第２の基板は
    半導体基板であり、前記アクチュエータの駆動回路を備
    えている光スイッチングデバイスの製造方法。