JP2002328314A - 光スイッチング素子、光スイッチングデバイスおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の利用効率を維持しながら、薄型化がで
き、歩留り良く形成できる抽出部を備えた光スイッチン
グ素子を提供する。 【解決手段】 光２を導入する光ガイド１と、この光ガ
イド１から光を抽出する面３ａを備えたマイクロプリズ
ム（抽出部）４と有する光スイッチング素子１０を備え
たデバイス６０であって、光ガイド１の屈折率ｎ１と、
マイクロプリズム４の屈折率ｎ２とを変える。これによ
り、マイクロプリズム４を薄くできるので、歩留まりを
向上でき、低コストで品質の良い光スイッチングデバイ
ス６０を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、データプロジェク
タ、ビデオプロジェクタなどの映像投映装置あるいは画
像表示装置などに使用される光スイッチング素子、およ
びその素子を用いたスイッチングデバイスおよび画像表
示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プロジェクタなどの画像表示装置のライ
トバルブとして光をオンオフ制御できる画像表示デバイ
スとしては、液晶を用いたものが知られている。しかし
ながら、この液晶を用いた画像表示デバイスは、高速応
答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか
動作しない。このため、高速応答を要求されるような高
解像度の画像を表示する装置、さらには、光通信、光演
算、ホログラムメモリー等の光記録装置、光プリンター
を、液晶を用いたスイッチングデバイスで実現するのは
難しい。

【０００３】そこで、上記のような用途に対応できる高
速動作可能なスイッチングデバイスあるいは画像表示デ
バイスが求められており、ミクロンオーダあるいはさら
に小さなサブミクロンオーダの微細構造（マイクロスト
ラクチャ）を備えたスイッチングデバイスの開発が鋭意
進められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】その１つが本願出願人
が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部の全反射
面に対しスイッチング部の抽出面を接触させてエバネセ
ント光を抽出し、光学素子の１波長程度あるいはそれ以
下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な光
スイッチングデバイスである。

【０００５】図４に、エバネセント光によるスイッチン
グを行う画像表示デバイス（光スイッチングデバイス）
を用いた画像表示装置の一例としてプロジェクタ８０の
概略を示してある。このプロジェクタ８０は、白色光源
８１と、この白色光源８１からの光を３原色に分解して
光スイッチングデバイス５５の導光板（光ガイド）１に
光２を入射させる回転色フィルタ８２と、各色の光を変
調して出射する光スイッチングデバイス５５と、出射さ
れた光８５を投映する投写用レンズ８６とを備えてい
る。そして、各色毎の変調された光８５がスクリーン８
９に投写され、時間的に混色されることにより多諧調の
マルチカラーの画像が出力される。プロジェクタ８０
は、さらに、光スイッチングデバイス５０および回転色
フィルタ８２を制御してカラー画像を表示する制御回路
８４を備えている。光スイッチングデバイス５５は、光
ガイド１との組合せで光をスイッチングできるスイッチ
ング素子１０が形成された基板５０を備えており、制御
回路８４からカラー画像を表示するためのデータφなど
が各々の光スイッチング素子１０に供給される。

【０００６】このように、図４に示したプロジェクタ８
０は、光を全反射しながら伝達する光ガイド１に投影用
の光を供給する光源８１などと共に光ガイド１から出射
された光を投写するレンズ８６などを備えた光を入出力
する手段と、光ガイド１に供給された投映用の光を変調
する光スイッチングデバイス５５とを備えており、光ガ
イド１から漏出するエバネセント光を制御して画像が表
示される。

【０００７】図５に、エバンセント波（エバネセント
光）を利用して光を変調する光スイッチングデバイス５
５の概要を示してある。光スイッチングデバイス５５は
複数の光スイッチング素子（光スイッチング機構）１０
が２次元に配列されたスイッチングデバイスであり、個
々の光スイッチング素子１０は、単体では導入された光
２を全反射して伝達可能な導光板（光ガイド）１に接近
および離反して光を変調可能な光学素子（スイッチング
部）３と、この光学素子３を駆動するアクチュエータ６
とを備えている。そして、光学素子３の層およびアクチ
ュエータ６の層がアクチュエータ６を駆動する駆動回路
およびデジタル記憶回路（記憶ユニット）が作りこまれ
た半導体基板２０の上に積層され、１つの画像表示デバ
イスとして集積化されている。

【０００８】図５を参照してエバネセント光を利用した
本例の光スイッチングデバイス５０についてさらに詳し
く説明しておく。個々の光スイッチング素子１０をベー
スに説明すると、図５の左側に示した光スイッチング素
子１０ａはオン状態であり、右側に示した光スイッチン
グ素子１０ｂがオフ状態である。光学素子３は、導波路
としての機能を果たす導光板１の面（全反射面）１ａに
密着する面（接触面または抽出面）３ａと、この面３ａ
が全反射面１ａに密着したときに漏れ出たエバネセント
波を抽出するＶ字型のプリズム（マイクロプリズムまた
は抽出部）４と、このプリズム４の底面で導光板１に対
しほほ垂直な方向に反射するための反射膜４６と、Ｖ字
型のプリズム４を支持するサポート構造５とを備えてい
る。

【０００９】アクチュエータ６は、光学素子３を静電駆
動するタイプであり、光学素子３のサポート構造５と機
械的に連結されて光学素子３と共に動く上電極（第１の
電極）７と、この上電極７と対峙した位置で半導体基板
２０に固定された下電極（第２の電極）８を備えてい
る。さらに、上電極７はアンカープレート９から上方に
伸びた支柱１１により支持されている。

【００１０】図５に示したように、導光板１には光源か
ら照明光２が全反射面１ａで全反射する角度で供給され
ており、巨視的には照明光２は導光板１の内部に閉じ込
められ、その中を損失なく伝播している。一方、微視的
には、導光板１の全反射している面１ａの付近では、光
ガイド１から光の波長程度のごく僅かな距離だけ、照明
光２が一度漏出し、進路を変えて再び光ガイド１の内部
に戻るという現象が起きている。このように面１ａから
漏出した光を一般にエバネセント波と呼ぶ。このエバネ
セント波は、全反射面１ａに光の波長程度またはそれ以
下の距離で他の光学部材を接近させることにより取り出
すことができる。本例の光スイッチング素子１０は、こ
の現象を利用して光ガイド１を伝達する光を高速で変
調、すなわち、スイッチング（オンオフ）することを目
的としてデザインされている。

【００１１】図５の光スイッチング素子１０ａでは、光
学素子３が光ガイド１の全反射面１ａに接触した第１の
位置にあるので、光学素子３の面３ａによりエバネセン
ト波を抽出することができる。このため、光学素子３の
マイクロプリズム４で抽出された光２は反射膜４６で角
度が変えられて出射光２ａとなり、プロジェクタ８０の
投映用の光８５として利用される。一方、光スイッチン
グ素子１０ｂでは、電極７および８の間に働く静電力に
より光学素子３が光ガイド１から離れた第２の位置に動
かされる。したがって、光学素子３によってエバネセン
ト波は抽出されず、光２は光ガイド１の内部から出な
い。

【００１２】エバネセント波を用いた光スイッチング素
子は単独でも光をスイッチングできる装置として機能す
るが、図５に示したように、これらを１次元あるいは２
次元方向、さらには３次元に並べて配置することができ
る構成になっている。特に、２次元にマトリクスあるい
はアレイ状に並べて配置することにより、液晶あるいは
ＤＭＤと同様に平面的な画像を表示可能な映像デバイス
あるいは光スイッチングデバイス５５として提供するこ
とができる。そして、エバネセント光を用いた光スイッ
チングデバイス５５では、スイッチング部である光学素
子３の移動距離がサブミクロンオーダとなるので、液晶
より１桁あるいはそれ以上応答速度の速い光変調装置と
して利用でき、これを用いた高速動作が可能なプロジェ
クタ８０などの画像表示装置を提供することが可能とな
る。さらに、エバネセント光を用いた光スイッチング素
子１０は、サブミクロンオーダの動きで光をほぼ１００
％オンオフすることが可能であり、非常にコントラスト
の高い画像を表現することができる。このため、時間的
な分解能を高くすることが容易であり、高コントラスト
の画像表示装置を提供できる。

【００１３】このような光スイッチングデバイス５５を
用いたプロジェクタ８０において、光スイッチングデバ
イス５５を投影するレンズ８６と、光源８１との配置上
および光路上の干渉を無くすためには入射角θ１をでき
るだけ大きくすることが望ましい。しかしながら、入射
角θ１を大きくすると、出射光２ａを垂直に出力するた
めにＶ溝の仰角（反射面４６の傾斜角度）βが大きくな
り、プリズム高さｈが大きくなる。したがって、デバイ
スが厚くなると共に、歩留まりが低下する要因ともな
る。これについてはさらに以下で説明する。また、入射
角θ１が大きくなり、反射面の仰角βの余角を越えると
Ｖ溝上の反射面４６の一方の面を部分的にしか反射のた
めに利用できなくなるので、開口率Ｒが低下する。

【００１４】一方、入射角θ１を小さくすると、反射面
４６の仰角βを小さくできるのでプリズム４の高さｈを
低くする点では効果があり、また、開口率Ｒは１００％
を維持できる。しかしながら、光源８１とレンズ８６と
の干渉の問題もあり、さらに、入射光２を全反射面１ａ
で全反射するためには臨界角θ０以下に入射角θ１を小
さくすることができない。臨界角より小さくすると、入
射光２を光ガイド１に閉じ込めておけなくなるので、オ
フ光が迷光となって光スイッチングデバイス５５の光学
的な性能が著しく悪化することになる。

【００１５】図６に、光ガイド１の屈折率ｎ１、および
抽出部であるマイクロプリズム（以降ではプリズム）４
の屈折率ｎ２が共に１．５で、Ｖ字型の反射面４６の一
辺の長さｌが４．５μｍ（Ｖ字型がマイクロプリズム４
に２つあるとすると、その画素サイズが１８×１８μ
ｍ）としたときの、開口率Ｒを破線６１１で示し、プリ
ズム高さｈを実線６２１で示してある。ただし、開口率
Ｒは、Ｖ字型の反射面４６の一方の面全体で反射された
場合を１００％にしてあり、入射光２が一方からしか照
射されない光学系であると有効な開口率は５０％に相当
する。

【００１６】このケースでは、臨界角θ０が４１．８度
であり、入射光２の入射角θ１は４１．８度以上にする
必要がある。そして、開口率Ｒが１００％で最も入射角
θ１が大きいのは６０度である。また、このケースで
は、入射角θ１が６０度のときに、反射面４６の仰角β
が３０度となるので、入射光２の利用効率Ｅが最も大き
く１００％となる。したがって、入射角θ１が６０度と
なるように光スイッチングデバイス５５の開発および設
計が進められる。

【００１７】このデバイス５５を製造するためには、プ
リズム４の高さｈは２．６μｍとなり、２．６μｍの高
さ（厚さ）ｈの膜を均一に成膜（形成）することが要望
される。このような厚みの膜を成膜する際に、１つの基
板（ウェハ）内における膜厚誤差の３σ値を±０．１μ
ｍに設定すると、求められる均一性は１．９％であり、
非常に高い均一性が要求されることになる。これに対し
て、マイクロプリズム４の厚みｈを、小さく、例えば、
膜厚を２．０μｍにすることができれば、膜厚誤差の３
σ値を同じ値、すなわち±０．１μｍとしても、均一性
は３％程度になる。したがって、成膜が容易になり、歩
留まりを向上し、製造コストを下げることができる。こ
のように、プリズム高さｈを小さくすることが歩留まり
では有利であり、そのためには、入射光２の入射角θ１
を小さくすることが有効であるが、上述したように臨界
角θ０以下にすることができない。すなわち、このケー
スであると、プリズム高さｈは１．７２μｍ以下にはな
らない。また、入射角θ１を小さくすることは光源の配
置条件が厳しくなるので好ましくない。そして、開口率
Ｒおよび利用効率Ｅを考えると、入射角θ１は６０度以
上にすることができない。したがって、入射角θ１が６
０度でないと、ディメリットが大きい。

【００１８】一方、反射面４６をＶ字型でなく、片傾斜
にすることができる。片傾斜の反射面を備えたデバイス
について、上記のケースと同様の条件、すなわち、光ガ
イド１の屈折率ｎ１、および抽出部であるプリズム４の
屈折率ｎ２が共に１．５で、片傾斜の反射面の一辺の長
さｌが４．５μｍとしたときの、開口率Ｒを、図６に、
一点鎖線６３１で示してある。なお、プリズム高さｈ
は、上記と同じであり、実線６２１で示すとおりであ
る。片傾斜のデバイスの開口率Ｒは、反射面の全面から
反射したときを１００％にしている。片傾斜のデバイス
は、入射光２の入射方向が一方に限定されるが、その条
件で画素単位で比較すると、反射面がＶ字型のデバイス
が開口率Ｒが１００％のときに有効開口率が５０％であ
るのに対し、片傾斜のデバイスでは開口率Ｒが有効開口
率であり、Ｖ字型のデバイスよりも高い値となる。ま
た、入射した光２は、全て前方に出射されるので、利用
効率Ｅは常に１００％になる。一方、Ｖ字型のデバイス
は、入射光２を両側から入射すると有効開口率を１００
％にできるのに対し、片傾斜のデバイスは、入射光２を
両側から入れても一方からの光しか利用できないので、
有効開口率は変わらない。

【００１９】したがって、一方からしか入射光２が照射
されないようなプロジェクタ８０に対しては、多くの点
で片傾斜のデバイスが優れている。しかしながら、この
片傾斜のデバイスの開口率Ｒは入射角θ１に依存してお
り、入射角θ１が小さくなると開口率Ｒは高くなるが、
臨界角θ０における値、たとえば、上記のケースでは、
開口率Ｒは、０．７４５を超えることはない。したがっ
て、開口率Ｒを大きくするためには入射角θ１を小さく
することが望ましいが、臨界角および光源の配置などの
問題があり、また限界もあり、配置上からは入射角θ１
が大きいほうが良いので、開口率Ｒを大きくすることが
難しい。そして、片傾斜のデバイスでも上記のＶ字型の
デバイスと同様に、プリズム４の厚みは、入射角θ１が
小さい方が薄くなるので好ましいが、同様の問題があ
る。

【００２０】そこで、本発明においては、入射角θ１が
大きくても、プリズムを薄くでき、歩留まりを向上でき
る光スイッチング素子および光スイッチングデバイスを
提供することを目的としている。さらに、入射角θ１が
大きくても、Ｖ字型のデバイスでは光の利用効率を大き
くでき、片傾斜のデバイスでは開口率を大きくすること
ができる光スイッチング素子、光スイッチングデバイス
および画像表示装置を提供することを目的としている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
光を導入する光ガイドの屈折率と、この光ガイドからオ
ンオフする光を抽出する面を備えた光学素子の抽出部の
屈折率を変えることにより、上記の問題を解決するよう
にしている。すなわち、本発明の光スイッチング素子
は、光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた光ガイ
ドと、全反射面に抽出面が接し、その全反射面から漏出
するエバネセント光を抽出可能な第１の位置、および抽
出面が離れてエバネセント光を抽出しない第２の位置に
移動し、第１の位置で抽出したエバネセント光を全反射
面の方向に戻す抽出部を備えた光学素子部と、この光学
素子部を駆動するアクチュエータ部とを有する光スイッ
チング素子であって、抽出部は、光ガイドの屈折率と異
なる屈折率の屈折層を備えていることを特徴としてい
る。抽出部全体の屈折率を変えても良く、あるいは、光
ガイドと接触する部分に光ガイドと同じ屈折率の層を設
け、屈折率の異なる層と積層して抽出部を構成しても良
い。さらに、複数の異なる屈折率の層を積層することも
可能である。屈折率の異なる屈折層を設けることによ
り、抽出部に抽出された入射光の角度（抽出角）を光ガ
イドから入射される角度（入射角）と変えることができ
るので、抽出部を薄くしたり、入射角度を大きくした
り、開口率を大きくすることが可能となる。

【００２２】したがって、本発明の光スイッチング素子
を用いることにより、これらの素子を複数有し、それら
の光スイッチング素子が２次元に配列されている光スイ
ッチングデバイスを薄く、歩留まり良く製造することが
可能となり、また、光学的な性能も高いデバイスを提供
することが可能となる。そして、それを画像表示用に用
いることにより、コンパクトで明るい画像表示装置を提
供することができる。そして、屈折層を備えた抽出部
を、抽出部の抽出面と光ガイドの全反射面とが密着（接
する）するように駆動するアクチュエータは、低消費電
力で駆動可能な静電駆動式を採用することが望ましい。

【００２３】抽出部を薄くし、入射角を大きくし、ま
た、開口率を上げる効果は、抽出部の屈折層の屈折率ｎ
２を光ガイドの屈折率ｎ１に対して大きくすることによ
り得られる。また、抽出部に、片傾斜した反射面、ある
いは、Ｖ字型に傾斜した反射面を設けることにより、屈
折層により屈折されたエバネセント光を抽出面に対し垂
直に反射することが可能である。そして、屈折層で、所
望の角度（向き）に光を導くことができるので、従来よ
りも抽出部の厚みを薄くすることができる。抽出部を薄
型化することで、面内均一性の許容度が高くなり、成膜
の歩留りを向上できる。

【００２４】すなわち、抽出部の最小厚さｈｍｉｎは光
ガイドの屈折率をｎ１、反射面の傾斜した面を垂直に投
影した長さをＬとしたときに、抽出部の屈折率が光ガイ
ドと同じ場合は、以下の式（Ａ）´で与えられるが、ｈ
ｍｉｎをさらに小さくすることができる。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ１））／２）・・・（Ａ）´ そして、抽出部の屈折率がｎ２のときは、ｈｍｉｎを以
下の式（Ａ）にすることができる。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ２））／２）・・・（Ａ） また、入射光をより大きく屈折させることで、高い開口
率を得ることが可能である。特に、片傾斜の反射面を備
えた光スイッチング素子および光スイッチングデバイス
においては、入射光を全反射できる臨界角θ０のときの
開口率が最大となるが、その開口率を大きくすることが
できる。

【００２５】すなわち、抽出面の最大開口率Ｒｍａｘ
は、光ガイドの屈折率をｎ１とし、抽出部の屈折率が光
ガイドと同じ場合は、以下の式（Ｃ）´で与えられる
が、Ｒｍａｘをさらに大きくすることができる。 Ｒｍａｘ＝１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ１））／２）・・・（Ｃ）´ そして、抽出部の屈折率がｎ２のときは、最大開口率Ｒ
ｍａｘを以下の式（Ｃ）にすることができる。 Ｒｍａｘ＝１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ２））／２）・・・（Ｃ） さらに、Ｖ字型の反射面を備えた光スイッチング素子お
よび光スイッチングデバイスにおいては、入射角θｅが
６０度のときに開口率が１００％なり、利用効率が１０
０％になるが、その条件を与える入射角θｅをさらに大
きくすることが可能となる。そして、光ガイドの屈折率
がｎ１、抽出部の屈折率がｎ２のときに、その入射角θ
２を以下の式（Ｂ）にすることができる。 θｅ＝sin^-1（ｎ２／ｎ１／２／√３）・・・（Ｂ） このように、本発明により、光ガイドと抽出部の屈折率
を変えることにより、光源から光ガイドに供給される入
射角度の制約が少なくなり、光スイッチングデバイスと
光源の配置に関して、大きな自由度を持たせることがで
きる。したがって、本発明の光スイッチングデバイス
と、光ガイドに対し画像表示用の光を入力する手段とを
有する画像表示装置を提供する際に、本発明により装置
全体をコンパクトに纏めることも容易にできる。さら
に、常に光の利用効率が理論上は１００％となる片傾斜
のデバイスでは、その開口率を向上させることができ
る。それと共に抽出部を薄型化することができ、均一性
を確保し易く、歩留り良く形成することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら、本発
明についてさらに説明する。図１に、本発明に係る光ス
イッチングデバイス６０の光ガイド１と光学素子部３を
抜き出して示してある。本例の光スイッチングデバイス
６０の全体的な構成は、図５に基づき説明したエバネセ
ント光を用いた光スイッチングデバイス５５と同様であ
り、光学素子部３を不図示のアクチュエータで上下の第
１の位置および第２の位置に動かすことにより入射光２
をスイッチングすることができる。また、図１には、１
つの光スイッチング素子１０の光ガイド１および光学素
子３の構成を抜き出して示してあるが、これらを２次元
に配列することにより図５に示した画像表示デバイスと
して利用可能な光スイッチングデバイスとすることが可
能であり、図４に示したプロジェクタ８０などのライト
バルブとして利用することができる。したがって、共通
する部分には共通の符号を付して説明を省略する。

【００２７】本例の光スイッチングデバイス６０は、屈
折率ｎ１の素材からなる光ガイド１と、屈折率ｎ２の素
材ならなるプリズム４とを備えており、これらの屈折率
ｎ１およびｎ２が異なり、屈折率ｎ２が屈折率ｎ１より
大きくなるようにしている。たとえば、光ガイド１は、
屈折率ｎ１が１．５程度のガラス材などで形成され、プ
リズム４は、屈折率ｎ２が１．６５程度となるようガラ
ス材などに適当な不純物が添加されている。さらに、反
射面４６は、アルミニウムなどの反射膜によりＶ溝状に
形成されており、１つの光学素子３に２つのＶ字型のプ
リズム４が形成されている。

【００２８】本例のデバイス６０において、光ガイド１
の全反射面１ａに対する入射角をθ１、プリズム４に抽
出された出射角（抽出角）をθ２、反射面４６の仰角を
β、プリズム４の反射面４６の一方の斜面の底辺をＬ、
底辺Ｌと仰角βにより決まるプリズム４の高さをｈ、プ
リズム４のサイズ（水平方向の長さ）をＰとすると、入
射光２が全反射面１ａからプリズム４に抽出され、出射
光２ａが全反射面１ａに垂直に反射されるためには以下
のような条件を満たす必要がある。まず、光ガイド１の
屈折率ｎ１、マイクロプリズム４の屈折率ｎ２を用い、
入射角θ１と抽出角θ２との間には次関係が成立する。 ｎ１・sinθ１＝ｎ２・sinθ２ ・・・（１） 反射面４６で垂直方向に出射されるために、反射面４６
に対する抽出された光の仰角をαとすると、次のように
なる。 α＝（π／２）−θ２ ・・・（２） したがって、反射される点の回りの角度を考えると、反
射面４６の傾き（仰角）βを入れて次のようになる。 α＋β＋θ２／２＝π／２ ・・・（３） よって、仰角βは抽出角θ２により（４）式のように導
かれる。β＝π／２−α−（θ２／２） ＝θ２／２ ・・・（４） ここで、１つの画素サイズＰにおいて、ｖ個のＶ字型プ
リズムを備えており、１つの反射面４６となる頂点０ま
での距離Ｌ、すなわち、反射面４６の１つの斜面の底辺
の長Ｌは式（５）で示される。 Ｌ＝Ｐ／２ｖ ・・・（５） したがって、マイクロプリズム４の厚みｈは式（６）で
示される。 ｈ＝Ｌtanβ ＝Ｐ／２ｖ・tan（（sin^-1（ｎ１／ｎ２・sinθ１））／２） ・・・（６） また、入射光２がマイクロプリズム４のＶ斜面（反射
面）４６で全て反射される条件は以下のとおりである。 θ２＋β≦π／２ ・・・（７） したがって、（４）式および（１）式を考慮すると、抽
出角θ２の条件および入射角θ１の条件は以下のように
なる。 θ２≦π／３ ・・・（８） θ１≦sin^-1（ｎ２／ｎ１・sin（π／３）） ・・・（９） さらに、光スイッチングデバイス５０（光スイッチング
素子１０ｂ）がオフの状態のとき、入射光２が光ガイド
１の界面で全反射するための境界条件は式（１０）で得
られる。 ｎ１・sinθ０＝sin（π／２） ・・・（１０） すなわち、臨界角θ０は下記の式（１１）より得られ、
入射角θ１は臨界角θ０より大きくなくてはならない。
したがって、入射角θ１の範囲は以下のとおりである。 θ０＝sin^-1（１／ｎ１・sin（π／２））＝sin^-1（１／ｎ１）・・・（１１） θ１＞sin^-1（１／ｎ１） ・・・（１２） この式（１２）の条件を満たすとき、本例の光スイッチ
ングデバイスは、光ガイド１で光を閉じ込めることがで
きる。また、この条件が、プリズム４の最小厚みｈｍｉ
ｎとなることは上述した通りである。すなわち、最小厚
みｈｍｉｎは以下の式（Ａ）となる。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（ｎ１／ｎ２・１／ｎ１））／２） ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ２））／２） ・・・（Ａ） 一方、光ガイド１とプリズム４の屈折率が等しくｎ１で
ある場合は、最小厚みｈｍｉｎが以下のようになる。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ１））／２） ・・・（Ａ）´ ここで、関数sin^-1は０からπ／２までの間で単調増加
する関数であるので、プリズム４の屈折率ｎ２を光ガイ
ド１の屈折率ｎ１より大きくすることにより、プリズム
４の最小厚みｈｍｉｎを小さくすることができ、その値
は式（Ａ）で表される。さらに、関数sin^-1は単調増加
する関数なので、式（６）から、プリズム４の屈折率ｎ
２を光ガイド１の屈折率ｎ１より大きくすることによ
り、全ての入射角θ１において、プリズム高さｈを小さ
くできることが分かる。

【００２９】さらに、開口率Ｒについて検討する。抽出
角θ２が６０度、すなわち、θ２＜π／３のときは、開
口率Ｒは１００％である。したがって、抽出角θ２がπ
／３より大きいときを検討する。このとき、プリズム４
のＶ頂点０に接して入射した光２が、反対側のＶ斜面で
反射される座標（ａ，ｂ）は次のようになる。但し、θ
２＞π／３、つまりβ＞π／６の範囲とする。Ｖ頂点０
の座標を(０，０)とすると、座標（ａ，ｂ）は下記の式
で表される。 （ａ，ｂ）＝（４Ｌ・sin²β，−２Ｌ・tanβ・（２cos²β−１）） ・・・（１３） これにより、θ２＞π／３のとき、Ｖ斜面４６で光２の
反射を行える領域の割合、すなわち、マイクロプリズム
４の開口率は、以下のようになる。 Ｒ＝（２Ｌ−４Ｌ・sin²β）／Ｌ＝２−４sin²β ・・・（１４） Ｒが１、すなわち、開口率Ｒが１００％で、入射した光
２が全て垂直方向に反射される条件、すなわち、光の利
用効率Ｅが１００％となる条件は、プリズム４の仰角β
がπ／６であり、抽出角θ２が６０度のときである。し
たがって、開口率Ｒが１００％で、光の利用効率Ｅが１
００％となる入射角θｅは次の式（Ｂ）で表される。 θｅ＝sin^-1（ｎ２・sin（π／３）／ｎ１） ＝sin^-1（ｎ２／ｎ１／２／√３） ・・・（Ｂ） 上述したように、関数sin^-1は０からπ／２までの間で
単調増加する関数であるので、プリズム４の屈折率ｎ２
を光ガイド１の屈折率ｎ１より大きくすることにより、
入射角θｅを６０度以上にすることが可能であり、たと
えば、屈折率ｎ１が１．５、屈折率ｎ２が１．６５のケ
ースでは、入射角θｅを７２．３度まで大きくすること
ができる。

【００３０】図２に、光ガイド１の屈折率ｎ１が１．
５、抽出部であるマイクロプリズム（プリズム）４の屈
折率ｎ２が１．６５で、Ｖ字型の反射面４６の一辺の長
さＬが４．５μｍ（Ｖ字型がマイクロプリズム４に２つ
あるとすると、その画素サイズが１８×１８μｍ）とし
たときの、開口率Ｒを破線７１で示し、プリズム高さｈ
を実線７２で示してある。ただし、開口率Ｒは、Ｖ字型
の反射面４６の一方の面全体で反射された場合を１００
％にしてあり、入射光２が一方からしか照射されない光
学系であると有効な開口率は５０％に相当することは上
述した通りである。

【００３１】このケースでは、臨界角θ０が４１．８度
であり、入射光２の入射角θ１は４１．８度以上にする
必要がある。そして、そのときのプリズム４の厚さが最
小とｈｍｉｎとなるが、式（Ａ）より、ｈｍｉｎは１．
５１μｍとなり、屈折率が同一の場合が１．７２μｍで
あったので、１２％ほど薄くすることができる。プリズ
ム４の厚さｈを薄くできる効果は、式（６）で示したよ
うに、スイッチング素子として有効な全ての入射角度で
得られるものであり、これにより、スイッチングデバイ
ス６０を薄くできると共に、製造時の歩留まりを向上す
ることができる。上記にて説明したが、たとえば、入射
角θ１が６０度のときに図６に示した条件で、屈折率が
同じ場合はマイクロプリズム４の厚みｈは上記の条件に
おいて２．６μｍ程度になる。これに対し、図２に示し
た条件では、プリズム４の厚みｈは２．１９μｍにな
る。したがって、マイクロプリズム４を形成（成膜）す
る際には、１つのウェハ内における膜厚誤差の３σ値を
±０．１μｍに設定すると、求められる均一性は３％程
度となる。言い換えると、均一性が３％程度であって
も、ウェハ全面での膜厚誤差の３σ値は０．１μｍ程度
しか発生しないので成膜が容易になり歩留まりが向上す
る。このような効果はプリズム４の屈折率ｎ２を光ガイ
ド１の屈折率ｎ１に対して大きくすることにより、さら
に顕著になる。

【００３２】また、図６に示したように、プリズム４お
よび光ガイド１の屈折率が同じ場合は、開口率Ｒが１０
０％で最も入射角θ１が大きいのは６０度であり、その
ときに光の利用効率Ｅも１００％になる。これに対し、
図２に示した例では、開口率Ｒが１００％で光の利用効
率Ｅも１００％になる入射角θ１を７２．３度にするこ
とができる。したがって、図４に示したようなプロジェ
クタに本例のデバイス６０を採用すると、光源８１から
の入射角を大きくできるので、照明系とレンズ系とのセ
パレートが容易となり、フレキシブルなレイアウトが可
能となり、設計において自由度を高めることもできる。

【００３３】図３に、反射面４６が片傾斜になった光ス
イッチングデバイス６１の光ガイド１と光学素子部３を
抜き出して示してある。本例の光スイッチングデバイス
６１の全体的な構成は、図５に基づき説明したエバネセ
ント光を用いた光スイッチングデバイス５５と同様であ
り、光学素子部３を不図示のアクチュエータで上下の第
１の位置および第２の位置に動かすことにより入射光２
をスイッチングすることができる。また、図３には、１
つの光スイッチング素子１０の光ガイド１および光学素
子３の構成を抜き出して示してあるが、これらを２次元
に配列することにより図５に示した画像表示デバイスと
して利用可能な光スイッチングデバイスとすることが可
能であり、図４に示したプロジェクタ８０などのライト
バルブとして利用することができる。したがって、共通
する部分には共通の符号を付して説明を省略する。

【００３４】本例の光スイッチングデバイス６１も、屈
折率ｎ１の素材からなる光ガイド１と、屈折率ｎ２の素
材ならなるプリズム４とを備えており、これらの屈折率
ｎ１およびｎ２が異なり、屈折率ｎ２が屈折率ｎ１より
大きくなるようにしている。たとえば、光ガイド１は、
屈折率ｎ１が１．５程度のガラス材などで形成され、プ
リズム４は、屈折率ｎ２が１．６５程度となるようガラ
ス材などに適当な不純物が添加されている。そして、反
射面４６が片傾斜であり、その傾きが仰角βとなるよう
に設けられている。

【００３５】本例のデバイス６１においても、光ガイド
１の全反射面１ａに対する入射角をθ１、プリズム４に
抽出された出射角（抽出角）をθ２、反射面４６の仰角
をβ、プリズム４の反射面４６の一方の斜面の底辺を
Ｌ、底辺Ｌと仰角βにより決まるプリズム４の高さを
ｈ、プリズム４のサイズ（水平方向の長さ）をＰとした
場合を検討する。上述した式（１）から（１２）は、本
例のデバイス６１に対しても同等に成立する。したがっ
て、プリズム４の最小厚みｈｍｉｎは以下の式（Ａ）と
なる。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（ｎ１／ｎ２・１／ｎ１））／２） ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ２））／２） ・・・（Ａ） 一方、光ガイド１とプリズム４の屈折率が等しくｎ１で
ある場合は、最小厚みｈｍｉｎが以下のようになる。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ１）／２） ・・・（Ａ）´ したがって、式（６）も考慮すると、本例のデバイス６
１においても、プリズム４の屈折率ｎ２を光ガイド１の
屈折率ｎ１より大きくすることにより、全ての入射角θ
１において、プリズム高さｈを小さくできることが分か
る。

【００３６】さらに、本例のデバイス６１の開口率Ｒに
ついて検討する。本例のデバイス６１において、プリズ
ム４のＶ頂点０に接して入射した光２が、反対側のＶ斜
面で反射される座標（ｓ，ｔ）は、Ｖ頂点０の座標を
（０，０）とすると、以下のように表される。 （ｓ，ｔ）＝（２Ｌ・sin²β，−Ｌ・tanβ・（２cos²β−１）） ・・・（１５） これにより、片斜面４６で光２の反射を行える領域の割
合、すなわち、マイクロプリズム４の開口率は、以下の
ようになる。 Ｒ＝（Ｌ−２Ｌ・sin²β）／Ｌ＝１−２sin²β ・・・（１６） また、入射角θ１で表すと、以下のようになる。 Ｒ＝１−２sin²（（sin^-1（ｎ１／ｎ２・sinθ１））／２）・・・（１７） 上述したように、片傾斜のデバイス６１では、入射した
光２は全て垂直方向に反射されるので、光の利用効率Ｅ
は常に１００％であるが、開口率Ｒは１００％にはなら
ず、最大の開口率Ｒｍａｘは、臨界角θ０で得られる。
したがって、最大開口率Ｒｍａｘは次の式（Ｃ）とな
る。 Ｒｍａｘ＝１−２sin²（（sin^-1（ｎ１／ｎ２・１／ｎ１））／２） ＝１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ２））／２） ・・・（Ｃ） 一方、光ガイド１とプリズム４の屈折率が等しくｎ１で
ある場合は、最大開口率Ｒｍａｘは、が以下のようにな
る。 Ｒｍａｘ＝１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ１））／２） ・・・（Ｃ）´ ここで、関数sin^-1は０からπ／２までの間で単調増加
する関数であるので、プリズム４の屈折率ｎ２を光ガイ
ド１の屈折率ｎ１より大きくすることにより、プリズム
４の最大開口率Ｒｍａｘを大きくすることができ、その
値は式（Ｃ）で表される。さらに、関数sin^-1は単調増
加する関数なので、式（３１）から、プリズム４の屈折
率ｎ２を光ガイド１の屈折率ｎ１より大きくすることに
より、全ての入射角θ１において、開口率Ｒを大きくで
きることが分かる。

【００３７】図２に、光ガイド１の屈折率ｎ１が１．
５、抽出部であるマイクロプリズム（プリズム）４の屈
折率ｎ２が１．６５で、Ｖ字型の反射面４６の一辺の長
さＬが４．５μｍ（Ｖ字型がマイクロプリズム４に４つ
あるとすると、その画素サイズが１８×１８μｍ）とし
たときの、デバイス６１の開口率Ｒを一点鎖線７３で示
してある。また、プリズム高さｈは、デバイス６０と同
様の結果が得られるので実線７２で示したとおりであ
る。また、このデバイス６１の開口率Ｒは、Ｖ字型のデ
バイス６０と異なり、入射光２が一方からしか照射され
ない光学系であっても両側から照射される光学系であっ
ても有効な開口率は変わらない。

【００３８】このケースでは、臨界角θ０が４１．８度
であり、入射光２の入射角θ１は４１．８度以上にする
必要がある。そして、そのときの開口率Ｒが最大開口率
Ｒｍａｘとなるが、式（Ｃ）より、Ｒｍａｘは０．７８
７となり、屈折率が同一の場合が０．７４５であったの
で、６％ほど開口率Ｒを高くすることができる。また、
本例の反射面が片斜面になったデバイス６１においても
プリズム４の厚さｈを薄くできる効果はデバイス６０と
同様であり、プリズム４の屈折率ｎ２を光ガイド１の屈
折率ｎ１より大きくすることにより、スイッチングデバ
イス６１を薄くできると共に、製造時の歩留まりを向上
することができ、さらに開口率Ｒも大きく明るいスイッ
チングデバイスを提供することができる。

【００３９】さらに、片傾斜のマイクロプリズム４を備
えたデバイス６１では、光の利用効率Ｅは１００％であ
り、また、入射光２の方向が一方のときはＶ字型のデバ
イス６０では最大で開口率が５０％であるのに対し、片
傾斜の本デバイス６１では、上記の例で８０％近くまで
開口率を上げることができる。そして、プリズム４の屈
折率を大きくすることにより、さらに開口率を大きくす
ることができる。

【００４０】なお、上記ではマイクロプリズム４の全体
を、屈折率ｎ２（１．６５程度）となるように形成した
ものを用いた例を説明しているが、これに限らず、マイ
クロプリズム（抽出部）４を、屈折率の異なる複数の層
で構成し、それらの層の少なくとも１つを、光ガイドの
屈折率と異なる屈折率の屈折層とすることによっても上
記と同等の効果を得ることができる。たとえば、光ガイ
ド１と接触する上層は光ガイドと同じ屈折率を備えた層
として抽出面における反射を防止し、下層に高屈折率の
層を用意して上記のような効果を得ることができる。さ
らに、屈折率の高い層（屈折層）を複数積層し、プリズ
ム内において抽出された光の光路をさらに制御するよう
にしても良い。

【００４１】また、上記では、光スイッチング素子１０
において、アクチュエータ６は、上述したように、屈折
率ｎ２となるマイクロプリズム４を、異なる屈折率ｎ１
の光ガイド１の全反射面１ａとが密着（接する）するよ
うに駆動する機能を備えていればよく、静電アクチュエ
ータ６に限られない。たとえば、ピエゾ素子などをアク
チュエータとして利用することができる。しかしなが
ら、低消費電力で高速な駆動が可能な静電アクチュエー
タ（静電駆動式）６を採用することが望ましい。

【００４２】さらに、本例では、光ガイド１の屈折率ｎ
１およびマイクロプリズム（屈折層）４の屈折率ｎ２
は、互いに異なる値となるように形成すれば良く、本発
明は上述した値の屈折率の組合わせに限定されるもので
はない。

【００４３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、エバネセント光を利用した光スイッチング素子およ
びデバイスにおいて、光を導入する光ガイドの屈折率
と、この光ガイドからオンオフする光を抽出する面を備
えた抽出部の屈折率とを変えることにより、抽出部を薄
くし、歩留まりを向上して低コストで製造できるように
すると共に、入射角度を大きくして光源の配置などが容
易になるようにしている。さらに、片傾斜のデバイスに
おいては、開口率を向上できるようにしている。したが
って、本発明により、薄く、光学的性能の良い光スイッ
チングデバイスと低コストで供給することが可能とな
り、さらにコンパクトで明るい画像表示装置を実現する
ことができる。

【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の一例を
模式的に示す図である。

【図２】図１に示す、異なる屈折率を備えた光スイッチ
ング素子のマイクロプリズムの厚みと、入射角および開
口率の関係を示すグラフである。

【図３】図１に示す光スイッチング素子と異なり、片傾
斜状のマイクロプリズムを用いた例を模式的に示す図で
ある。

【図４】エバネセント光を用いた光スイッチング素子に
よる画像形成装置の概略構成の一例を示す図である。

【図５】図４に示した光スイッチング素子および光スイ
ッチングデバイスの例を模式的に示す図である。

【図６】図４に示した光スイッチング素子のマイクロプ
リズムの厚みと、入射角および開口率の関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１ 光ガイド ２ 出射光 ３ 抽出部 ４ マイクロプリズム ５ サポート構造 ６ 静電アクチュエータ １０ 光スイッチング素子 ２０ 半導体基板 ４６ 反射膜 ５５、６０、６１ 光スイッチングデバイス

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を全反射して伝達可能な全反射面を備
   えた光ガイドと、 前記全反射面に抽出面が接し、当該全反射面から漏出す
   るエバネセント光を抽出可能な第１の位置、および前記
   抽出面が離れてエバネセント光を抽出しない第２の位置
   に移動し、前記第１の位置で抽出したエバネセント光を
   前記全反射面の方向に戻す抽出部を備えた光学素子部
   と、 この光学素子部を駆動するアクチュエータ部とを有する
   光スイッチング素子であって、 前記抽出部は、前記光ガイドの屈折率と異なる屈折率の
   屈折層を備えている光スイッチング素子。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記抽出部は屈折率
   が前記光ガイドと同じ層と、前記屈折層とを備えている
   光スイッチング素子。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記光ガイドの屈折
   率に対し前記屈折層の屈折率が高い光スイッチング素
   子。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記抽出部は、抽出
   されたエバネセント光を全反射面の方向に反射するよう
   に片傾斜した反射面を備えている光スイッチング素子。
5. 【請求項５】 請求項３において、前記抽出部は、抽出
   されたエバネセント光を全反射面の方向に反射するよう
   にＶ字型に傾斜した反射面を備えている光スイッチング
   素子。
6. 【請求項６】 請求項４または５において、前記反射面
   は、前記抽出面で抽出され、前記屈折層により屈折され
   たエバネセント光を前記抽出面に対し垂直に反射する光
   スイッチング素子。
7. 【請求項７】 請求項６において、前記抽出部の最小厚
   さｈｍｉｎが次の条件を満たす光スイッチング素子。た
   だし、前記光ガイドの屈折率をｎ１、前記反射面の傾斜
   した面を垂直に投影した長さをＬとする。 ｈｍｉｎ＜Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ１））／２）
8. 【請求項８】 請求項７において、前記最小厚さｈｍｉ
   ｎが次の式で与えられる光スイッチング素子。ただし、
   前記抽出部の屈折率をｎ２とする。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ２））／２）
9. 【請求項９】 請求項４において、前記反射面は、前記
   抽出面で抽出され、前記屈折層により屈折されたエバネ
   セント光を前記抽出面に対し垂直に反射し、その抽出面
   の最大開口率Ｒｍａｘが以下の条件を満たす光スイッチ
   ング素子。ただし、前記光ガイドの屈折率をｎ１とす
   る。 Ｒｍａｘ＞１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ１））／２）
10. 【請求項１０】 請求項９において、前記最大開口率Ｒ
    ｍａｘが以下の式で与えられる光スイッチング素子。た
    だし、前記抽出部の屈折率をｎ２とする。 Ｒｍａｘ＝１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ２））／２）
11. 【請求項１１】 請求項５において、前記反射面は、前
    記抽出面で抽出され、前記屈折層により屈折されたエバ
    ネセント光を前記抽出面に対し垂直に反射し、その光の
    利用効率が１００％になる入射角θｅが６０度より大き
    い光スイッチング素子。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、前記入射角θｅ
    が以下の式で与えられる光スイッチング素子。ただし、
    前記光ガイドの屈折率をｎ１、前記抽出部の屈折率がｎ
    ２である。 θｅ＝sin^-1（ｎ２／ｎ１／２／√３）
13. 【請求項１３】 請求項１に記載の光スイッチング素子
    を複数有し、それらの光スイッチング素子が２次元に配
    列されている光スイッチングデバイス。
14. 【請求項１４】 光を全反射して伝達可能な全反射面を
    備えた光ガイドと、 前記全反射面に抽出面が接し、当該全反射面から漏出す
    るエバネセント光を抽出可能な第１の位置、および前記
    抽出面が離れてエバネセント光を抽出しない第２の位置
    に移動し、前記第１の位置で抽出したエバネセント光を
    前記全反射面の方向に戻す抽出部を備えた光学素子が２
    次元に配置された光学素子層と、 これらの光学素子をそれぞれ駆動するアクチュエータが
    ２次元に配置されたアクチュエータ層とを有する光スイ
    ッチングデバイスであって、 前記抽出部は、前記光ガイドの屈折率と異なる屈折率の
    屈折層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１４において、前記抽出部は屈
    折率が前記光ガイドと同じ層と、前記屈折層とを備えて
    いる光スイッチングデバイス。
16. 【請求項１６】 請求項１４において、前記光ガイドの
    屈折率に対し前記屈折層の屈折率が高い光スイッチング
    デバイス。
17. 【請求項１７】 請求項１６において、前記抽出部は、
    抽出したエバネセント光を全反射面の方向に反射するよ
    うに片傾斜した反射面を備えている光スイッチングデバ
    イス。
18. 【請求項１８】 請求項１６において、前記抽出部は、
    抽出したエバネセント光を全反射面の方向に反射するよ
    うにＶ字型に傾斜した反射面を備えている光スイッチン
    グデバイス。
19. 【請求項１９】 請求項１７または１８において、前記
    反射面は、前記抽出面で抽出され、前記屈折層により屈
    折されたエバネセント光を前記抽出面に対し垂直に反射
    する光スイッチングデバイス。
20. 【請求項２０】 請求項１９において、前記抽出部の最
    小厚さｈｍｉｎが次の条件を満たす光スイッチングデバ
    イス。ただし、前記光ガイドの屈折率をｎ１、前記反射
    面の傾斜した面を垂直に投影した長さをＬとする。 ｈｍｉｎ＜Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ１））／２）
21. 【請求項２１】 請求項２０において、前記最小厚さｈ
    ｍｉｎが次の式で与えられる光スイッチングデバイス。
    ただし、前記抽出部の屈折率をｎ２とする。 ｈｍｉｎ＝Ｌ・tan（（sin^-1（１／ｎ２））／２）
22. 【請求項２２】 請求項１７において、前記反射面は、
    前記抽出面で抽出され、前記屈折層により屈折されたエ
    バネセント光を前記抽出面に対し垂直に反射し、その抽
    出面の最大開口率Ｒｍａｘが以下の条件を満たす光スイ
    ッチングデバイス。ただし、前記光ガイドの屈折率をｎ
    １とする。 Ｒｍａｘ＞１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ１））／２）
23. 【請求項２３】 請求項２２において、前記最大開口率
    Ｒｍａｘが以下の式で与えられる光スイッチングデバイ
    ス。ただし、前記抽出部の屈折率をｎ２とする。 Ｒｍａｘ＝１−２sin²（（sin^-1（１／ｎ２））／２）
24. 【請求項２４】 請求項１８において、前記反射面は、
    前記抽出面で抽出され、前記屈折層により屈折されたエ
    バネセント光を前記抽出面に対し垂直に反射し、その光
    の利用効率が１００％になる入射角θｅが６０度より大
    きい光スイッチングデバイス。
25. 【請求項２５】 請求項２４において、前記入射角θｅ
    が以下の式で与えられる光スイッチングデバイス。ただ
    し、前記光ガイドの屈折率をｎ１、前記抽出部の屈折率
    がｎ２である。 θｅ＝sin^-1（ｎ２／ｎ１／２／√３）
26. 【請求項２６】 請求項１７または１８において、前記
    アクチュエータは、静電駆動式である光スイッチングデ
    バイス。
27. 【請求項２７】 請求項１７または１８に記載の光スイ
    ッチングデバイスと、前記光ガイドに対し画像表示用の
    光を入力する手段とを有する画像表示装置。