JP2003140098A - 光変調素子及びそれを用いた光源と表示装置ならびにその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィールドシーケンシャル表示において光源
の利用効率を極限まで高めるために、時間的にも空間的
も分割した光を表面プラズモンを利用して得る光変調素
子とこれを利用した光源、表示装置を得る。 【解決手段】 プリズム１１，１２に形成した金属薄膜
１３，１４と電気光学物質１５の界面に生じる表面プラ
ズモンを応用した２つの単位素子１，２とミラー３とで
光変調素子を構成する。単位素子１，２で発生する吸収
し再放出による透過光と反射光の双方を出射光もしくは
次の単位素子への入射光もしくはミラー３への入射光と
する事により、すべての光をロスなく最終的な出射光に
利用でき、また、空間的に光の色を分割でき、さらに、
電圧により波長を変える事による時間的にも分割が可能
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光変調素子に関し、
特に表面プラズモンを応用した光変調素子と、この光変
調素子を用いた光源と表示装置、並びにこれらの駆動方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の表示装置、特にフィールドシーケ
ンシャル（フィールド順次）表示装置として、例えば、
平成２年発行、小林駿介編著「カラー液晶ディスプレ
イ」１１７頁には、カラーのフィルター円板を用いた装
置が示されている。この装置では、モノクロブラウン管
の前に光の３原色である赤、緑、青に塗り分けられたカ
ラーのフィルター円板が配置され、表示に同期して回転
することによりカラー表示が可能となる。同様に、白色
光源の前にカラーのフィルタ円板を置きブラックシャッ
タ（白黒のシャッタ式表示素子）を組み合わせてもカラ
ー表示が可能である。また、他の方式の装置として、前
記「カラー液晶ディスプレイ」１２０頁及び１２１頁
に、モノクロＣＲＴ（陰極線管）の前にπセルと呼ばれ
る高速液晶表示素子を２つと偏光板及びカラー偏光板を
３枚組み合わせる事によりフィールド順次カラー表示を
行なう装置が示されている。さらに、ＣＲＴやＬＥＤ
（発光ダイオード）や冷陰極管をバックライトとして用
い、液晶ディスプレイをブラックシャッタとして用いた
例も前記「カラー液晶ディスプレイ」１２２頁及び１２
３頁に示されている。この装置では、３原色の各々の色
のバックライトを用意し高速で交互に点滅させている。
これらの一例が、「月刊ディスプレイ」１９９８年７月
号の１１頁から１６頁にフィールドシーケンシャル・フ
ルカラーＬＣＤとして示されている。この例では、現在
普及している液晶表示装置の照明光である冷陰極管バッ
クライトを、赤・緑・青と時間的に切り替えている。

【０００３】近年、前記したようなカラーフィルタやカ
ラー光源を用いることなく、カラー表示を実現する表示
装置として、表面プラズモン波（ＳＰＷ）という金属と
絶縁体（誘電体）の界面で保たれる電磁波を利用した光
変調素子と、この光変調素子を利用してカラー表示を可
能にした表示装置、光源が提案されている。すなわち、
金属等の導体は正の固有の電荷の連続領域の中で静電的
に釣り合った電子のガスとして定義できる。これは１立
方センチメートル内に10の23乗個の電子が存在する事に
ほぼ等しい電子密度を有した「凝縮された」電子プラズ
マと考えられる。通常のプラズマ振動である体積プラズ
マ振動の他に表面プラズマ振動と呼ばれる縦波が存在す
る。この表面プラズマ振動による電場は金属表面に平行
な方向には周期的な波動の形態を有し、金属表面に垂直
な方向には指数関数的に減少する減衰波の形態を有す
る。また、プラズモンとは金属内のプラズマ振動（伝導
電子気体の集団的な波の励起）の量子である。電子密度
が高いために量子効果が著しい。この表面プラズモン波
は共振結合によって光学的に励起する事が可能である。
この共振の条件は、金属と絶縁体の界面近傍での媒体の
屈折率と厚さに強く依存する。また、光波の強度は、光
波を表面プラズモン波に結合する事により変調する事が
出来る。一般的には、表面プラズモン波と光波間の結合
が強ければ出射光波の減衰が大きくなり、結合が弱けれ
ば出射光波はほぼ減衰しない。

【０００４】全反射減衰（ＡＴＲ）効果は高屈折率プリ
ズムを介して表面プラズモン波を光学的に励起するため
に利用されている。自由空間を移動する光は臨界角を超
える角度でプリズムを介し金属−絶縁体界面に送られ、
表面プラズモン波領域に重なるであろうエバネッセント
波の領域を形成する。エバネッセント波の伝播係数Ｋｅ
ｖと表面プラズモンの伝播定数Ｋｓｐが一致すると金属
表面に表面プラズモン共鳴が励起される。表面プラズモ
ン波を光学的に励起するためには主に二つの形態が使用
される。第１の形態はオットー(Otto)の全反射（ＡＴ
Ｒ）形状である。このオットーの形状を図１１（ａ）に
示す。このオットーの形状では厚い絶縁体１０２上に重
ねられた金属媒体層１０１と高屈折率プリズム１０３と
の間に小さい空隙１０４が存在する。入射光によって表
面プラズモン波１０５が光学的に励起される。また、表
面プラズモン波を光学的に励起する第２の形態は図１１
（ｂ）に示すクレットシーマン(Kretschmann）の変形Ａ
ＴＲ形状である。この形状では薄い金属箔１０１がプリ
ズム１０３と絶縁体１０２の間に挿入されている。この
構成でも反射光１０６とならない吸収光により表面プラ
ズモン波１０５が光学的に励起されるが、空隙が存在し
ないのでより実用的である。尚、エバネッセント波を発
生するための高屈折率プリズム１０３は、入射光の波長
より細かい周期を有する回折格子等、その他の光学部品
としてもよい。

【０００５】ここで、エバネッセント波の伝播定数（波
数）ｋ_evは、光学部品としてプリズムを用いた場合、次
式に示すようになる。

【数１】 但し、ｃは真空中での光速度、ωは角振動数、λは波
長、ｎ（ω）およびｎ（λ）は角振動数ωおよび波長λ
の時のプリズムの屈折率、ｋ₀(ω）は真空中で角振動数
ωの時の波数、θは光のプリズムの底面に対する入射角
である。従って、プリズムの屈折率ｎ（ω）もしくはｎ
（λ）と、光の入射角θを調節する事によりエバネッセ
ント波の波数と金属表面プラズモンの伝播定数とを一致
させる事が出来る。

【０００６】一方、表面プラズモンの伝播定数ｋ_spは、
表面プラズモンの角振動数をω、金属の誘電率と金属に
接する低屈折率媒質の誘電率をそれぞれε_m ，ε₀ とす
ると、

【数２】 で与えられる。但し、ε_m ( ω)およびε_m ( ω)は角振
動数ωおよび波長λの時の金属の誘電率である。ここで
ε_m は複素数である事から、伝播定数ｋ_spもまた複素数
である。ｋ_ev＝ｋ_spの時にプリズムを用いて発生された
エバネッセント波が表面プラズモンを発生させる。金属
表面プラズモンを強く励起するためには、その金属表面
プラズモン自身が寿命の長い波動でなければならない。
すなわち、伝播係数ｋ_spの虚数項が小さく、伝播に伴う
減衰が小さい事が必要である。

【０００７】伝播係数ｋ_spの虚数項を、各複素数を、ｋ
_sp＝ｋ_sp′＋ｉｋ_sp″、ε_m ＝ε_m′＋ｉε_m ″（これ
らのεは、正確には角振動数もしくは波長に依存してい
る）とおいて近似的に解くと、

【数３】 となる。従って、金属表面プラズモンの強度を決めてい
る因子は、ε_m ″／（ε _m ′）² であり（これらのε
は、正確には角振動数もしくは波長に依存している）、
金属表面プラズモンを励起する金属としては、｜ε_m ″
／（ε_m ′）² ｜の値の小さい金属である事が望まれ
る。具体的には、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃ
ｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等が使用可能である。

【０００８】この表面プラズモンを利用し、低屈折率の
誘電体として液晶等の電界印加で屈折率が変化する物質
を使用して電界で波長を選択して表示を行う液晶表示装
置（米国特許5,451,980 号明細書）ならびにプロジェク
タ（米国特許5,570,139 号明細書）が提案されている。
また、その素子の学会発表での例が、1995年の米国の
「アプライド・フィジックス・レター誌」67巻19号の27
59頁から2761頁に示されている。この文献には、図１２
（ａ）のように、液晶を用いて吸収波長を可変とし反射
光の波長域を電気的に変化させた素子が示されており、
さらに図１２（ｂ）のように、前記素子での電圧値を変
えたときの波長に対する反射光強度の特性の測定（破
線）および計算結果（実線）が示されている。前記素子
では、プリズム１０３として６０°のＳＦ₆ ガラスプリ
ズムを用い、金属薄膜１０１として50ｎｍの銀薄膜を蒸
着し、配向膜１０８としてＭｇＦ₂ を50°の斜方蒸着に
より50ｎｍ形成している。基板１１０はガラス基板上に
透明電極であるＩＴＯ膜を形成した上に同じ配向膜１０
８を斜方蒸着している。スペーサ１０９により４μｍの
セルギャップとした後、液晶１０７としてメルク社製の
ＢＬ００９を注入している。この素子に同図（ａ）のよ
うに白色光を偏光板を介してｐ偏光の直線偏光として入
射して電圧を印加して反射光の波長依存性を調べた結果
が同図（ｂ）である。電圧０Ｖでは、 640ｎｍ近辺に吸
収極大がある。電圧を印加していくと吸収極大が低波長
側にシフトしていき、１０Ｖで 560ｎｍ、３０Ｖで 450
ｎｍとなっている。測定結果と計算結果は良好に一致し
ている。

【０００９】また、他の技術として、吸収された光の再
放出を利用する技術がある。その例として、米国，1997
年「エスアイディー97ダイジェスト」６３頁から６６頁
に示されている技術を説明する。図１３（ａ）は、従来
のクレットシーマン法を対称構造とし特定波長域の透過
光を得る素子の断面図であり、図１３（ｂ）は前記素子
で中央の媒体の屈折率を変えた時の波長に対する透過光
強度の計算結果を示す図である。この素子は、図１２
（ａ）に示された構造の素子において、基板１１０側を
取り除き上側と同じ構造を下側に対称に設けたものと同
様と考えられる。但し、中央部の電気光学物質１１１の
膜厚は図１２（ａ）の素子に比べて極めて薄く設定され
る。この対称的な構造と非常に薄い中央の電気光学物質
１１１により、入射側の界面で発生した表面プラズモン
波が次の金属との界面での表面プラズモン波に結合する
ことが可能となり出射側に表面プラズモン波を生じる。
この表面プラズモン波が同じ波長の光を再び放出させ
る。このようにして吸収された光を再放出することが可
能である。図１３（ｂ）はこの素子において、中央の物
質の屈折率異方性ｄｎを０から0.2 、0.5 に変化させた
時の理論計算結果である。ｄｎが０の時は、 450ｎｍの
波長の光を放出し、0.2では 530ｎｍの光、0.5では 650
ｎｍの光を放出する。表面プラズモンは表面での効果で
あるので、このような再放出を起こすには、中央の物質
の膜厚は極めて薄く一波長程度とされる。中央の物質と
して液晶材料を用いた場合、この膜厚の薄さのために、
通常の液晶素子の応答速度より二桁ほど速い応答速度が
実現できると考えられる。

【００１０】また、前記文献の他の技術として、図１４
に示す技術は、表面プラズモンを利用したフィールドシ
ーケンシャル表示を行う直視型の液晶表示装置の構成例
を示す。ここでは、図１３（ａ）に記載の素子を素子１
００として１つ用い、これに線光源１１２からの光をシ
リンドリカルレンズ１１３を通して上で前記素子１００
に入射し、時間毎に光の３原色の内の１色を選択し、階
段状表面を有する反射板１１４により液晶パネル１１５
の全体に光を照射しフィールドシーケンシャル表示を可
能としている。更に、特許や他の文献では、これらを利
用した他の液晶表示素子やプロジェクタも提案されてい
る。前記米国特許5,570,139 号明細書に記載の技術とし
て、図１５に示すように、表面プラズモンを利用した液
晶表示素子用の光源の例を示す。白色光が右上から照射
され、順次複数（３個）の単位素子１００Ａ，１００
Ｂ，１００Ｃに入射されることで、その出射光が光源と
して成立する。各単位素子１００Ａ，１００Ｂ，１００
Ｃで特定波長域、すなわち、青、緑、赤の吸収を行い、
黄、マゼンタ、シアンの各色を得る。これを３つの素子
で繰り返すことにより、所定の色の光を得る。

【００１１】一方、プロジェクタに利用している例とし
て、1997年「エスピーアイイー誌」3019巻の35頁から40
頁に示される技術がある。この技術は、図１６に示すよ
うに、本技術による表面プラズモンを利用したプロジェ
クタの例の断面図を示す。中央の表面プラズモン素子１
００Ｄは図１５とほぼ同じ構成であり、図１５のプリズ
ム１０３を一つにまとめただけの違いである。入射側に
はランプ１１６、反射板１１７、リレーレンズ１１８、
インテグレータ１１９、偏光板１２０が配置され、出射
側には投影レンズ１２１を通して図外のモノクロの変調
を行い像を得る反射型液晶表示装置等を配置し、画像の
表示を行っている。ランプから出た光は反射板により一
方向に集まるようにされ、リレーレンズとインテグレー
ターにより狭い領域の平行光に近づけられる。偏光板に
より一方の偏光にそろえ、表面プラズモン素子で色の選
択と画像の表示を行い、投影レンズを介して最終的な投
影が行われる。フィールドシーケンシャル表示でプロジ
ェクトが可能である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の光
変調素子、特に表面プラズモンを利用した光変調素子及
びこれを利用した表示装置では、次のような問題が生じ
ている。第１の問題点は、構造が複雑である点である。
その理由は、従来の技術では、特定の波長域の３原色の
光を同時に得るのに電界による波長が可変な単位素子が
３個必要であるためである。第２の問題点は、光のロス
が大きい点である。その理由は、表面プラズモンを吸収
された反射光、もしくは、吸収した光の再放出光のみを
利用しているためである。そのため、利用されなかった
光は全くのロスとなってしまう。例えば、図１４の技術
ではフィールドシーケンシャル表示のある色を表示して
いる期間は、３原色の内の他の２色は全く利用されな
い。第３の問題点は、時間的にも空間的にも分割できる
光変調素子が存在しないことである。

【００１３】本発明の目的は、構造を簡便とした光変調
素子を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、光のロスを最小限とした光変調素子を提供すること
にある。さらに、本発明の他の目的は、時間的にも空間
的にも分割できる光変調素子を提供することにある。ま
た、本発明は前記したような光変調素子を用いた表示装
置とその表示方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属薄膜と電
気光学物質の界面に生じる表面プラズモンを他の界面で
の表面プラズモンに結合し入射光の進行方向とほぼ平行
な方向に再放出する技術を応用した光変調素子におい
て、２つの単位素子とミラーからなり、前記２つの単位
素子は、それぞれ斜面に金属薄膜が設けられ、かつその
金属薄膜が対向配置された頂点の角度がほぼ直角の一対
のプリズムと、前記対向配置された金属薄膜間に挟まれ
た電気光学物質からなり、前記２つの単位素子は、前記
金属薄膜が平行に配置されるように前記各単位素子の各
プリズムの直角面の一面同士が接するように平行に配置
され、前記ミラーはそのミラー面が前記金属薄膜と平行
な方向に向けられて前記一方の単位素子の前記単位素子
同士が接していない側のプリズムの頂点にそって延在す
るように配置された事を特徴とする。前記電気光学物質
として液晶物質が用いられる。また、前記電気光学物質
に代えて空隙とすることもでき、単位素子を構成するプ
リズム間に配設したピエゾ物質により、前記空隙の厚み
を変化させるようにしてもよい。また、前記プリズムに
代えて入射光の波長より短い周期を有する回折格子を採
用することも可能である。さらに、前記光変調素子を利
用して、光源が構成でき、あるいは液晶表示装置や液晶
プロジェクタが構成できる。

【００１５】本発明の光変調素子では、単位素子で発生
する吸収し再放出による透過光と反射光の双方を出射光
もしくは次の単位素子への入射光もしくはミラーへの入
射光とする事により、すべての光をロスなく最終的な出
射光に利用できる。また、空間的に光の色を分割でき
る。さらに、電圧により波長を変える事による時間的に
も分割が可能である。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、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。

【００１７】（第１の実施の形態）図１（ａ）を参照す
ると、第１の本発明の実施の形態は、クレットシーマン
法を対称構造とした第１及び第２の単位素子１，２と、
１つのミラー３からなり、必要に応じ偏光方向を一方向
に揃える素子が加えられる。ここでは、偏光変換素子４
が光入射路に設けられる。前記クレットシーマン法を対
称構造とした第１及び第２の単位素子１，２は、それぞ
れ直角三角形断面をした二つのプリズム１１，１２を互
いの斜面を対向配置し、各斜面にそれぞれ金属薄膜１
３，１４を形成し、さらに、対向配置された前記金属薄
膜１３，１４の間に電界強度に応じて屈折率が変化する
電気光学物質１５を介挿配置している。そして、前記第
１及び第２の単位素子１，２は、各プリズムの一面同士
がほぼ接した状態で平行に配置され、結果として各プリ
ズム１１，１２の底辺及び前記金属薄膜１３，１４が平
行な位置に配置される。同時に前記ミラー３の表面も前
記平行な面と平行で、且つ、前記単位素子１，２同士が
接していない側の第２の単位素子２のプリズムの頂点に
一端がほぼ接するように配置される。また、前記偏光変
換素子４は、前記ミラー３が接していない側の第１の単
位素子１の入射光側の位置、すなわち第２の単位素子２
と接していない側のプリズム１２面に対向する位置に配
置される。

【００１８】図１（ｂ）は、前記第１の実施の形態の動
作を説明する図であり、ＲＧＢ（赤、緑、青）の３原色
の光がどのように伝達するかを模式的に示した図であ
る。前記偏光変換素子４によって直線偏光とされた白色
光は、第１の単位素子１のプリズム１２の一面に入射さ
れ、金属薄膜１４に到達される。ここで、ある時間にお
いては、入射側の第１の単位素子１では赤の光を吸収し
再放出する。そのため、赤の光が出射される。他の緑と
青の光を含む反射光は、第２の単位素子２に入射する。
第２の単位素子２では、プリズム１１を通して金属薄膜
１３に到達され、青の光を吸収し再放出する。そのた
め、反射光として緑の光が出射される。また、青の光は
第２の単位素子２を透過後、ミラー３において反射さ
れ、出射される。このように白色光が赤、緑、青の順に
空間的に分割される。また、第１の単位素子１と第２の
単位素子２にそれぞれ電圧を印加することにより、電気
光学物質１５における屈折率が変化されるため、前記し
た吸収・再放出の光波長を変えることが可能である。例
えば、第１の単位素子１で緑、第２の素子で赤を吸収・
再放出するようにすると、白色光が緑・青・赤の順に空
間的に分割される。このような時間的なスイッチングを
行うことにより、空間的に分割された光を時間的にも分
割することが可能である。また、光のロスは極めて小さ
い。特に入射側に無偏光の光を直線偏光の光に揃える前
記した偏光変換素子４を挿入しておくことにより、光の
ロスはほとんどなくなる。

【００１９】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態では、前記第１の実施の形態の電界で屈折率が変
化する電気光学物質１５として液晶物質を用いている。
この場合、必要に応じて液晶物質を配向させるための配
向膜が形成される。この第２の実施の形態の動作は、第
１の実施の形態と同様である。電圧を印加する事により
電気光学物質１５としての液晶物質の液晶配向が変化
し、液晶の有する屈折率異方性のために液晶物質の屈折
率が変化する。これにより電圧による波長を変える事が
可能である。特に着目すべき点は、液晶物質の領域が一
波長程度の厚みに極めて薄膜化されているため、バルク
的なスイッチングでなく表面のみでのスイッチングとな
り、通常の液晶物質を用いた素子より二桁ほど高速な応
答が得られる点である。これにより高速応答可能な光変
調素子が得られる。

【００２０】例えば、図１を参照すると、第１及び第２
の単位素子１，２のプリズム１１，１２として60°のＳ
Ｆ₆ ガラス（ドイツ：ショット社製）のプリズムを用
い、金属薄膜１３，１４として銀薄膜を蒸着し、さらに
図には現れないが配向膜としてＭｇＦ₂ を斜方蒸着し
た。このプリズム１１，１２を電気光学物質１５として
の液晶を間に挟み接着剤は使用せずに貼り合わせた。前
記金属薄膜１３，１４には配線を施し、電圧を印加でき
るようにした。それぞれがこのようにして構成された第
１及び第２の単位素子１，２をＳＦ₆ とほぼ同じ1.805
の屈折率のマッチングオイルを用い光学接着した。更
に、ミラー３を配置した。また、白色光源からの光を偏
光変換素子４としての偏光板を介して照射した。そし
て、前記配線間、すなわち金属薄膜１３，１４間に電圧
を印加する事により、赤・緑・青が空間的に分割され
た。更に電圧値を調整する事により、時間的にもスイッ
チングする事ができ、（１）赤・緑・青、（２）緑・青
・赤、（３）青・赤・緑、の順で高速にスイッチングが
可能であった。

【００２１】また、この場合、プリズム１１，１２とし
て、酸化チタンを加熱しルチルの結晶形としたものを使
用した。屈折率は2.8 程度であった。このプリズムを用
いて第１及び第２の単位素子１，２を作成し、これらを
平行に配置した上で、ミラー３を設けた。また、無偏光
の光をｐ偏光に変換する偏光変換素子４を設けた。この
ような構成では、偏光変換素子の効果と、高屈折プリズ
ムの使用により、前記構成よりも効率が非常に高められ
た。なお、プリズムとして屈折率1.92程度のＨＯＹＡ社
のＦＤＳ１ガラスを用いた場合も検討したが、ルチルプ
リズムの方が効率が高かった。

【００２２】（第３の実施の形態）本発明の第３の実施
の形態では、第１の実施の形態の電界で屈折率が変化す
る物質１５の代わりに空隙としピエゾ効果（圧電効果）
を示す物質をプリズム１１，１２の対向間の片方の端も
しくは両方の端に配置したものである。図２（ａ）は、
第３の実施の形態の構成を示す図である。第１の実施の
形態で設けていた電気光学物質１５の代わりに、プリズ
ム１１，１２間の両端にピエゾ物質１６が設けられ、こ
のピエゾ物質１６によってプリズム１１，１２間に空隙
１７が設けられる。図２（ｂ１），（ｂ２）はこの第３
の実施の形態の動作を説明する図である。この第３の実
施の形態では、第１および第２の実施の形態と異なり、
電圧の印加により屈折率を変化させるのではなく、空隙
１７の厚みを変化させる。ピエゾ物質１６に電圧を印加
すると、電圧値により歪みを生じ図２（ｂ１）に示すよ
うな伸長、あるいは図２（ｂ２）のように縮小させ、こ
れにより空隙１７の厚みを変化する事が可能である。こ
の性質を利用し、表面プラズモンの結合条件を変化さ
せ、第１および第２の実施の形態と同様の効果を得る。
この方式の利点は、液晶を用いた場合に比べると空隙１
７の領域は液晶より低屈折率であるため、プリズム１
１，１２が高屈折率である必要が無い。この事は、低コ
スト化に有利となる。

【００２３】前記第３の実施の形態の具体例としては、
ピエゾ効果を有する物質として薄膜化が容易な点で酸化
亜鉛（ＺｎＯ）を使用した。液晶を用いない点とピエゾ
物質を使用するための以下の工程以外は第２の実施の形
態と同様に作成することが可能である。各単位素子１，
２のプリズム１１の銀薄膜１３の両端部に酸化亜鉛の薄
膜１６を形成しパターニングした。しかる上で、ごく少
量の銀ペーストを制御式ディスペンサで塗布してプリズ
ム１２の銀薄膜１４を形成した面を貼りあわせ、前記酸
化亜鉛の薄膜１６によって両プリズム１１，１２の各銀
薄膜１３，１４の間に空隙１７を形成している。なお、
ミラー３と偏光変換素子４を使用した。この具体例によ
って、第１の実施の形態の具体例と同様の高い効率が得
られた。なお、前記第３の実施の形態では、ピエゾ物質
として酸化亜鉛を使用したが、薄膜化が可能であればど
のような物質でも構わない。例えば、窒化アルミ（Ａｌ
Ｎ）でもマグネトロンスパッタ法やデュアルビームスパ
ッタリング法で良好な薄膜が形成される。また酸化亜鉛
ではＥＣＲプラズマスパッタリング法で更に良好な薄膜
が得られた。一方、最近ではＰＺＴ系でも薄膜化が可能
である。

【００２４】（第４の実施の形態）本発明の第４の実施
の形態では、第３の実施の形態と同様にピエゾ効果を示
す物質を使用するが、図３（ａ）に示すように、第１の
実施の形態における電気光学物質１５の代わりには空隙
１７のみが設けられ、各々の単位素子１，２のプリズム
１１，１２の各表面で入射、透過、反射等の光が通る面
以外にピエゾ効果を示す物質１６が配置される。この第
４の実施の形態では、第３の実施の形態と同様に空隙の
厚みを変化させる。ピエゾ物質１６に電圧を印加すると
電圧値により歪みを生じ、図３（ｂ１）のような伸長、
図３（ｂ２）のような縮小をさせ、その結果プリズム１
１，１２間の空隙１７の厚みを変化させる事が可能であ
る。この方式の利点は、第３の実施の形態の利点に加え
て、ピエゾ物質１６を薄膜化する必要がなく、また、図
のようにプリズムの全面に設ける場合はパターニングが
不要であるためにパターニング精度が要求されず、安価
に作成できる点がある。更に、ピエゾ物質１６用の電極
の取り出しが容易である。なお、ピエゾ物質１６の伸縮
方向とプリズム１１，１２間の対向方向が異なるため、
若干、図中の左右方向に移動が生じるが、これはきわめ
て小さい範囲であり、無視できる。なお、この第４の実
施の形態では、ピエゾ物質１６として第３の実施の形態
と同様な物質が利用できるが、この実施の形態では第３
の実施の形態のような薄膜化の必要がないため、更に種
々のピエゾ物質が使用可能である。

【００２５】（第５の実施の形態）本発明の第５の実施
の形態では、第１から第４の実施の形態のプリズム１
１，１２の代わりに回折格子を使用する実施の形態であ
る。図４に示すように、第１の実施の形態のプリズムを
配置していた部分に回折格子１８が使用される。すなわ
ち、所要の厚さの電気光学物質１５の両面に金属薄膜１
３，１４を形成し、これら金属薄膜１３，１４の表面に
回折格子１８をそれぞれ配設したものである。回折格子
１８としては、入射光の波長より細かい周期を有する回
折格子が選ばれる。本実施の形態では、第１から第４の
実施の形態に従い、液晶のような電気光学物質を用いて
もピエゾ効果を示す物質を用いてもどちらでも構わな
い。この第５の実施の形態では、第１の実施の形態と同
様の動作が可能であるとともに、特に大きなプリズムが
必要でないため、装置全体がコンパクトになり、かつ軽
量化も可能である。

【００２６】（第６の実施の形態）本発明の第６の実施
の形態は、第１から第５の実施の形態で使用する第２の
単位素子の出射側にフィルタを設けている。図５は第６
の実施の形態として、第１の実施の形態に適用した構成
を示している。第２の単位素子２の出射側に波長特性改
善用のフィルタ１９が設けられている。このフィルタ１
９の特性は、各々の単位素子で吸収・再放出され出射す
る光と単位素子１と単位素子２で吸収のみを受けて反射
して出射する光とでは波長域や強度が異なる点を補償す
るための特性である。また、このフィルタ１９の特性
は、必要に応じて、使用する電圧や膜圧や屈折率等の条
件での表面プラズモン吸収では吸収が良好に生じない波
長域をカットする特性である。図６（ａ）は、この第６
の実施の形態で使用するフィルタの特性の一例を示して
いる。この特性は、図１２（ｂ）に示した特性に近い吸
収・再放出の特性であり、波長 460ｎｍ、 550ｎｍ、 6
80ｎｍにピークを持っている光変調素子を用いた場合の
第２の単位素子の反射光に含まれる不要な波長域の光を
カットする特性となっている。図６（ｂ）は、第６の実
施の形態を適用した場合の空間分割された各単位空間で
の出射光の波長特性を示したものである。第１の単位素
子１で赤の光を、第２の単位素子２で青の光をそれぞれ
吸収・再放出し、第２の単位素子２で緑の光を反射した
ときについて示した。不要な波長域がカットされ、良好
に色が空間分割されている。

【００２７】（第７の実施の形態）第７の本発明の実施
の形態は、第１から第６の実施の形態における電界の印
加方法、すなわち駆動方法に関する。図７は、第７の実
施の形態における駆動方法の一例を図示したものであ
る。ここでは、同図のようにフィールドシーケンシャル
のサブフィールド時間内での吸収する光の波長を固定と
せずシフトするための駆動法であることが特徴である。
すなわち、サブフィールド内に印加する電圧の振幅を変
化させる。図８（ａ）は前記駆動方法によりシフトされ
る波長特性範囲を示す図である。また図８（ｂ）は、前
記駆動方法を利用する場合（実線）としない場合（破
線）で得られる波長特性の違いを示した図である。本駆
動方法では、サブフィールド時間内に印加する電圧の振
幅を変化させるので、出射される光はその変化に応じて
波長特性をシフトしたものの時間平均となる。これによ
り波長域の幅を調節する事が可能である。同時に第２の
単位素子からの反射光の波長域も調整できる。図８
（ｂ）では、液晶部分に正負で対称な電圧を印加する事
としているが、焼き付き等の問題が生じない場合は片方
だけでもよい。ピエゾの場合でも印加電圧値の条件は異
なるが、同様にして実現が可能である。

【００２８】（第８の実施の形態）本発明の第８の実施
の形態では、第１から第７の実施の形態の光変調素子を
使用することで、圧縮色分割光源を構成している。この
実施の形態では、特に図示は省略するが、前記第１から
第７の実施の形態では、第１及び第２の単位素子１，２
からそれぞれ異なる波長の光を分割して出射することが
可能であることから、圧縮色分割光源を構成することが
可能である。ここで、圧縮色分割光源とは、時間的にも
空間的も分割され、且つ、光のロスが少ない光源であ
る。例えば、図１（ｂ）に示したように、多数の波長域
の光を含む白色光源等と第１の実施の形態の光変調素子
の組み合わせにより実現される。同様に、白色光源等と
第２ないし第７の実施の形態の光変調素子の組み合わせ
により実現される。この第８の実施の形態の光源により
フィールドシーケンシャル表示における光のロスがなく
なる。

【００２９】（第９の実施の形態）本発明の第９の実施
の形態では、第１から第７の実施の形態の光変調素子、
あるいは第８の実施の形態の圧縮色分割光源を使用する
ことで、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置
を構成している。図９は、この第９の実施の形態による
液晶表示装置の一部とその動作を示す図である。すなわ
ち、液晶表示装置の液晶２０は、直視型もしくは反射型
もしくは投射型の液晶パネルとして構成され、前記液晶
２０の遮光部２１によって区画される開口部２２のう
ち、組みをなす３個単位の開口部２２に対向してそれぞ
れマイクロレンズ２３を配置し、各マイクロレンズ２３
に対して図外の左側に第１ないし第８の実施の形態の光
変調素子あるいは光源が配置される。この構成では、分
割された各色の光の光路をレンズで調整し、同図の左方
向から入射するようにする。マイクロレンズを介して液
晶層に入射し、開口部と遮光部から画素構造を透過す
る。初めの期間では同図（ａ）のように上の画素から順
にから赤・青・緑と表示する。次の期間では同図（ｂ）
のように緑・赤・青の順に表示し、最後の期間では同図
（ｃ）のように青・緑・赤と表示する。この繰り返しに
より、画素毎に色を切り替える方式でのフィールドシー
ケンシャル表示が可能であり、光のロスが少ない液晶表
示装置が得られる。

【００３０】（第１０の実施の形態）本発明の第１０の
実施の形態では、第１から第９の実施の形態に基づいて
プロジェクタを構成している。図示は省略するが、第１
から第９の実施の形態をプロジェクタ装置の一部に適用
する事により実現される。動作はこれまで述べたのと同
様である。プロジェクタのような投射型では光のロスが
大きく、光源の強度が必要とされ、消費電力の増加や装
置の小型化が困難などの問題を抱えていた。本構成によ
り、光のロスが無いプロジェクタが得られる。また、プ
ロジェクタでの表示方法としては、第９の液晶表示装置
を利用した方法以外に、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイ
ス）やＴＭＡ（シンフィルム・マイクロミラー・アレ
イ）等の他の様々な装置を使用した方法がある。更に
は、本素子を多数使用した形態も可能である。

【００３１】（第１１の実施の形態）本発明の第１１の
実施の形態は、第９の実施の形態における液晶表示装
置、あるいは第１０の実施の形態におけるプロジェクタ
の駆動方法である。空間的に分割されて出射される光
は、各々の単位空間毎に強度が異なる。これは、前述の
吸収・再放出により出射される光と２回の吸収と反射の
みで出射され光の強度差以外に、単位素子の設計条件や
作成条件、および、ミラーの反射率や光路差や光路中の
媒質の違い等による。そこで、液晶表示装置やプロジェ
クタで使用するモノクロ変調用装置等でこれを補正する
ように駆動する。図１０は、第１１の実施の形態の動作
を示す図である。同図（ａ）は光変調素子により得られ
る空間分割された各光線の強度である。同図（ｂ）は前
記（ａ）の特性のときにおけるモノクロ変調の強度の設
定範囲である。これら（ａ）と（ｂ）の特性を掛け合わ
せたものが実際の表示として得られる。この方法により
光変調素子で発生する強度差を無くす事が可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、金属薄膜
と電気光学物質の界面に生じる表面プラズモンを応用し
た２つの単位素子とミラーとで光変調素子を構成し、単
位素子で発生する吸収し再放出による透過光と反射光の
双方を出射光もしくは次の単位素子への入射光もしくは
ミラーへの入射光とする事により、すべての光をロスな
く最終的な出射光に利用でき、また、空間的に光の色を
分割でき、さらに、電圧により波長を変える事による時
間的にも分割が可能である。これにより、本発明では次
のような効果が得られる。

【００３３】第１の効果は、構造が極めて簡便になる点
である。その理由は、電界を印加する単位素子が２つの
みですむためである。第２の効果は、光のロスが極めて
少なく、有効に光を利用できる点である。その理由は、
対称構造により再結合された透過光と反射光の双方を巧
みに、且つ、有効に使用するためである。第３の効果
は、時間的にも空間的にも分割できる光変調素子を提供
できることである。その理由は、素子構造により空間的
に光を各波長領域ごとに分割できると同時に、電界の印
加により波長を可変とすることができ時間的にも分割で
きるためである。第４の効果は、安価に実現が可能な点
である。その理由は、装置構成が簡便となると同時に、
ピエゾ効果を利用することにより屈折率が低くなるた
め、高価なプリズムや高価な回折格子が不必要となり安
価なプリズムや安価な回折格子が利用できるためであ
る。第５の効果は、装置全体がコンパクトになり、且
つ、軽量化される点である。その理由は、プリズムの代
わりに回折格子を使用するためである。第６の効果は、
出射される光の波長特性が良好な事である。その理由
は、波長特性を補正するフィルタを使用したり、駆動方
法を工夫する事により波長特性を改善しているためであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態の構成とその動作
を説明する図である。

【図２】 本発明の第３の実施の形態の構成とその動作
を説明する図である。

【図３】 本発明の第４の実施の形態の構成とその動作
を説明する図である。

【図４】 本発明の第５の実施の形態の構成を示す図で
ある。

【図５】 本発明の第６の実施の形態の構成を示す図で
ある。

【図６】 本発明の第６の実施の形態でのフィルタの特
性例とその分光特性を示す図である。

【図７】 本発明の第７の実施の形態における駆動方法
を示す図である。

【図８】 本発明の第８の実施の形態における分光特性
を示す図である。

【図９】 本発明の第９の実施の形態の動作を示す図で
ある。

【図１０】 本発明の第１１の実施の形態の空間分割さ
れた光強度を示す図である。

【図１１】 従来のオットーの表面プラズモン波発生器
とクレットシーマンの表面プラズモン波発生器のそれぞ
れの説明図である。

【図１２】 従来の液晶を用いて吸収波長を可変とし反
射光の波長域を電気的に変化させた構造の断面図と、当
該素子での電圧値を変えたときの波長に対する反射光強
度の特性の測定および計算結果を示す図である。

【図１３】 従来のクレットシーマン法を対称構造とし
特定波長域の透過光を得る素子の断面図と、当該素子で
の中央の物質の屈折率を変えたときの波長に対する透過
光強度の計算結果を示す図である。

【図１４】 従来の表面プラズモンを利用したフィール
ドシーケンシャル表示を行う直視型の液晶表示装置の構
成図である。

【図１５】 従来の表面プラズモンを利用した液晶表示
素子用の光源の例を示す図である。

【図１６】 従来の表面プラズモンを利用したプロジェ
クタの一例の構成図である。

【符号の説明】 １ 第１の単位素子 ２ 第２の単位素子 ３ ミラー ４ 偏光変化素子 １１，１２ プリズム １３，１４ 金属薄膜 １５ 電気光学物質 １６ ピエゾ物質 １７ 空隙 １８ 波長特性改善フィルタ １９ 回折格子 ２０ 液晶 ２１ 遮光部 ２２ 開口部 ２３ マイクロレンズ １００，１００Ａ〜１００Ｄ 素子 １０１ 金属薄膜 １０２ 絶縁体 １０３ プリズム １０４ 空隙 １０５ 表面プラズモン波 １０６ 反射光 １０７ 液晶 １０８ 配向膜 １０９ スペーサ １１０ 基板 １１１ 電気光学物質 １１２ 線光源 １１３ シリンドリカルレンズ １１４ 反射板 １１５ 液晶パネル １１６ ランプ １１７ 反射板 １１８ リレーレンズ １１９ インテグレータ １２０ 偏光板 １２１ 投影レンズ

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ０２Ｆ 1/1335 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ２Ｋ１０３ ５２０ ５２０ 1/13357 1/13357 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｅ Ｆターム(参考） 2H042 CA06 CA14 CA17 DA01 DA04 DA09 DA20 DE00 2H079 AA02 AA12 BA01 CA05 DA02 DA08 EA21 EB01 KA05 KA08 KA09 KA14 2H088 EA12 EA48 HA01 HA02 HA03 HA06 HA18 HA19 HA21 HA24 HA28 KA06 MA20 2H091 FA07X FA07Z FA08X FA08Z FA09X FA09Z FA14X FA14Z FA19Z FA21X FA21Z FA26X FA26Z FA41X FA41Z FC04 GA01 GA03 GA06 GA08 LA30 MA07 2H093 NC41 ND60 NE01 NE03 NE04 NE06 NE10 NG02 2K103 AA01 AA05 AB10 BB03 BC01 BC03 BC20 CA18 CA26 CA53

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配置された金属薄膜間に挟まれた電
   気光学物質からなり、一方の金属薄膜の表面に生じる表
   面プラズモンを他方の金属薄膜での表面プラズモンに結
   合し入射光の進行方向とほぼ平行な方向に再放出する光
   変調素子とミラーとからなり、前記光変調素子が前記金
   属薄膜を平行とするように２つ配置され、前記ミラーの
   ミラー面が前記金属薄膜と平行となるよう配置され、前
   記２つの光変調素子の一方に入射する光のうち前記金属
   薄膜で反射される光を前記他方の光変調素子に入射し、
   前記他方の光変調素子から再放出された光を前記ミラー
   により反射するよう前記２つの光変調素子および前記ミ
   ラーを配置したことを特徴とする光変調素子。
2. 【請求項２】 前記光変調素子は、それぞれ斜面に金属
   薄膜が設けられ、かつその金属薄膜が対向配置された一
   対のプリズムと、前記対向配置された金属薄膜間に挟ま
   れた電気光学物質からなることを特徴とする請求項１記
   載の光変調素子。
3. 【請求項３】 前記光変調素子は、対向配置された金属
   薄膜の外側に入射光の波長より短い周期を有する回折格
   子が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載
   の光変調素子。
4. 【請求項４】 前記電気光学物質として液晶物質を用い
   る事を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載
   の光変調素子。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４に記載の光変調素子に
   おいて、入射される光を複数の波長光に空間分割する動
   作と共に、前記金属薄膜に印加する電圧を変化させる事
   を特徴とする光変調素子の駆動方法。
6. 【請求項６】 請求項１ないし４に記載の光変調素子
   と、前記光変調素子に入射する白色光源とを組み合わせ
   て時間的にも空間的にも分割され、且つ、光のロスの少
   ない光源を構成した事を特徴とする圧縮色分割方式の光
   源。
7. 【請求項７】 請求項１ないし４に記載の光変調素子、
   あるいは請求項９に記載の光源を用いて液晶パネルを照
   射し、前記液晶パネル上に画像を表示する事、もしく
   は、スクリーン上に画像を投影する事を特徴とする表示
   装置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の表示装置での表示に際
   し、光変調素子による空間分割での光出力の強度差を補
   正するように駆動する事を特徴とする表示装置の駆動方
   法。