JP2003233024A - Optical multilayered structure, optical switching element using the same, and picture display device - Google Patents

Optical multilayered structure, optical switching element using the same, and picture display device

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JP2003233024A
JP2003233024A JP2002035820A JP2002035820A JP2003233024A JP 2003233024 A JP2003233024 A JP 2003233024A JP 2002035820 A JP2002035820 A JP 2002035820A JP 2002035820 A JP2002035820 A JP 2002035820A JP 2003233024 A JP2003233024 A JP 2003233024A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical multilayered structure which has less reflection boundary surfaces and has a simple arrangement. <P>SOLUTION: An optical multilayered structure 1 has an arrangement where a first transparent layer 11 brought into contact with a substrate 10 used as an incidence medium, a gap part 12 which has a size allowing the occurrence of an interference phenomenon of light and can change the size, a second layer 13 being absorbent of light, and a third layer 14 being absorbent of light are arranged on the substrate 10 in order, and the optical multilayered structure modulates incident light from the substrate 10 side. They are set so as to satisfy formula (5) where nS and n<SB>1</SB>are refractive indexes of the substrate 10 and the first layer 11, respectively, and N<SB>2</SB>(=n<SB>2</SB>-i k<SB>2</SB>, n<SB>2</SB>is the refractive index, k<SB>2</SB>is the attenuation coefficient, and i is the imaginary unit) and N<SB>3</SB>(=n<SB>3</SB>-i k<SB>3</SB>, n<SB>3</SB>is the refractive index, k<SB>3</SB>is the attenuation coefficient, and i is the imaginary unit) are complex indexes of refraction of the second layer and the third layer, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光を反射,透
過若しくは吸収させる機能を有する光学多層構造体、こ
の光学多層構造体を用いた光スイッチング素子および画
像表示装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical multilayer structure having a function of reflecting, transmitting or absorbing incident light, an optical switching element using the optical multilayer structure and an image display device.

【0002】[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 D
evice ,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)社製)等が
ある。
2. Description of the Related Art In recent years, the importance of a display as a display device for video information is increasing, and it operates at high speed as an element for this display and further as an element for optical communication, an optical storage device, an optical printer and the like. There is a demand for the development of an optical switching element (light valve) that does. Conventionally, as this type of element, an element using a liquid crystal or an element using a micromirror (DMD: Digital Micro Miror D
evice, digital micromirror device, registered trademark of Texas Instruments), and one using a diffraction grating (GLV: Grating Light Valve, manufactured by SLM (Silicon Light Machine)).

【0003】GLVは回折格子をMEMS(Micro Elec
tro Mechanical Systems) 構造で作製し、静電力で10
nsの高速ライトスイッチング素子を実現している。D
MD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。
GLV uses a diffraction grating as a MEMS (Micro Elec
tro Mechanical Systems) structure, and electrostatic force 10
A high-speed light switching element of ns is realized. D
The MD also has a MEMS structure and performs switching by moving a mirror. Although a display such as a projector can be realized by using these devices, since the liquid crystal and the DMD have a low operation speed, a two-dimensional array is required to realize the display as a light valve, which complicates the structure. . On the other hand, since GLV is a high-speed drive type, a projection display can be realized by scanning a one-dimensional array.

【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。
However, since the GLV has a diffraction grating structure, there are complications such as it being necessary to form six elements for one pixel and to combine diffracted light emitted in two directions into one by some optical system. There is.

【0005】簡単な構成で実現できるものとしては、米
国特許公報5,589,974号や米国特許公報5,5
00,761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。
As a device which can be realized with a simple structure, US Pat. No. 5,589,974 and US Pat.
No. 00,761. This light valve has a structure in which a translucent thin film having a refractive index of √n S is provided on a substrate (refractive index n S ) with a gap (gap layer) interposed therebetween. In this element, an optical signal is transmitted or reflected by driving a thin film using electrostatic force and changing the distance between the substrate and the thin film, that is, the size of a gap. Here, the refractive index of the thin film is √n S with respect to the refractive index n S of the substrate, and it is said that high contrast optical modulation can be performed by satisfying such a relationship.

【0006】[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、窒化ケイ素
(Si3 4 )(屈折率n=2.0)などの材料が望ま
しいが、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)、シリコン(Si)(n≒4)などを用いることに
より実現可能である。
However, in the element having the above-mentioned structure, the substrate cannot be realized in the visible light region unless the refractive index n S of the substrate is a large value such as "4". There is. That is, considering that the translucent thin film is a structure, a material such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) (refractive index n = 2.0) is desirable, but in that case, the refractive index of the substrate is n S = 4. In the visible region, the choice of such materials is narrow. For communication wavelengths such as infrared rays, germanium (Ge) (n =
4), silicon (Si) (n≈4), and the like.

【0007】そこで、本出願人と同一出願人は、先に、
基板上に、光の吸収のある第1の層、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、および第2の層を配設した構造を有する光学多層構
造体、これを用いた光スイッチング素子および画像表示
装置を提案した(特願2000−219599明細
書)。この提案の光学多層構造体は、基板上に、光の吸
収のある第1の層、間隙部および第2の層をこの順で配
設した構成のものである。また、この光学多層構造体で
は、基板の複素屈折率をNS (=nS −i・kS ,nS
は屈折率,kS は消衰係数,iは虚数単位)、第1の層
の複素屈折率をN1 (=n1 −i・k1 ,n 1 は屈折
率,k1 は消衰係数)、第2の層の屈折率をn2 、入射
媒質の屈折率を1.0としたとき、次式(2)の関係を
満たすように構成されている。
Therefore, the same applicant as the present applicant first
The first layer, which absorbs light, causes the light interference phenomenon on the substrate.
A gap that has a size that can be crushed and whose size is variable
Section and an optical multilayer structure having a structure in which a second layer is provided
Structure, optical switching element using the same, and image display
Proposed a device (Japanese Patent Application No. 2000-219599)
book). The proposed optical multilayer structure absorbs light on the substrate.
The first layer, the gap, and the second layer that have
It has a structure that is set up. Also, with this optical multilayer structure
Is the complex index of the substrate NS(= NS-I ・ kS, NS
Is the refractive index, kSIs the extinction coefficient, i is the imaginary unit), the first layer
The complex refractive index of N1(= N1-I ・ k1, N 1Is refraction
Rate, k1Is the extinction coefficient), and the refractive index of the second layer is n2,incident
When the refractive index of the medium is 1.0, the relation of the following equation (2)
Is configured to meet.

【0008】[0008]

【数2】 [Equation 2]

【0009】上記提案の光学多層構造体によれば、2次
元の画像表示装置を構成するのに十分な高速応答が可能
で、かつ原理的に単純な構造で光スイッチング素子を実
現することができる。更に、光の反射と吸収とを切り替
えることができるので、画像表示装置を実現する上で問
題となる不要な光の処理を極めて簡単に行うことができ
る。したがって、この光スイッチング素子は直視・反射
型の画像表示装置に好適に用いることができる。
According to the proposed optical multilayer structure, a high-speed response which is sufficient for constructing a two-dimensional image display device is possible, and an optical switching element can be realized with a simple structure in principle. . Furthermore, since it is possible to switch between light reflection and light absorption, it is possible to extremely easily perform processing of unnecessary light which is a problem in realizing the image display device. Therefore, this optical switching element can be suitably used for a direct-view / reflection-type image display device.

【0010】ところで、上記提案の光学多層構造体は、
光学多層構造体の第2の層の側(基板とは反対側)から
入射する光に対して変調を行う。そのため、この光学多
層構造体を用いて光スイッチング素子ないし画像表示装
置を構成する場合には、基板上に形成された光学多層構
造体を保護・封止するために光学多層構造体の第2の層
の側に配置される付加基板として、透明なものを用いな
ければならない。カラー表示の場合には、この透明な付
加基板にカラーフィルターなどを形成する。しかしなが
ら、透明な付加基板を配設することによって反射界面が
増えるので、それらの界面での反射が問題となり、反射
防止膜を装着するなどの対策が必要となる虞がある。
By the way, the above-mentioned proposed optical multilayer structure is
The light incident from the second layer side (the side opposite to the substrate) of the optical multilayer structure is modulated. Therefore, when an optical switching element or an image display device is constructed using this optical multilayer structure, a second optical multilayer structure is formed in order to protect and seal the optical multilayer structure formed on the substrate. A transparent one must be used as an additional substrate arranged on the layer side. In the case of color display, a color filter or the like is formed on this transparent additional substrate. However, since the reflective interfaces are increased by disposing the transparent additional substrate, reflection at these interfaces becomes a problem, and it may be necessary to take measures such as mounting an antireflection film.

【0011】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、反射界面が少なく単純な構成の光学
多層構造体、これを用いた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。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an optical multilayer structure having a small number of reflective interfaces and a simple structure, an optical switching element using the same, and an image display device. is there.

【0012】本発明による光学多層構造体は、入射媒質
を兼ねる基板の一方の面に、透明な第1の層、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2の層および光の吸収のある第3の層を
配設した構造を有し、基板側から入射した光を変調する
ものである。
An optical multilayer structure according to the present invention has a transparent first layer on one surface of a substrate which also serves as an incident medium, and a gap portion having a size capable of causing a light interference phenomenon and having a variable size. , Has a structure in which a second layer and a third layer that absorbs light are arranged, and modulates the light incident from the substrate side.

【0013】本発明による光学多層構造体では、基板の
屈折率をnS 、第1の層の屈折率をn1 、第2の層の複
素屈折率をN2 (=n2 −i・k2 ,n2 は屈折率,k
2 は消衰係数,iは虚数単位)、第3の層の複素屈折率
をN3 (=n3 −i・k3 ,n3 は屈折率,k3 は消衰
係数,iは虚数単位)としたとき、次式(3)の関係を
満たすことが好ましい。
In the optical multilayer structure according to the present invention, the refractive index of the substrate is n S , the refractive index of the first layer is n 1 , and the complex refractive index of the second layer is N 2 (= n 2 −i · k). 2 , n 2 is the refractive index, k
2 is the extinction coefficient, i is the imaginary unit), the complex refractive index of the third layer is N 3 (= n 3 −i · k 3 , n 3 is the refractive index, k 3 is the extinction coefficient, i is the imaginary unit) ), It is preferable that the relationship of the following expression (3) is satisfied.

【0014】[0014]

【数3】 [Equation 3]

【0015】本発明による光スイッチング素子は、入射
媒質を兼ねる基板の一方の面に、透明な第1の層、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2の層および光の吸収のある第3の
層を配設した構造を有し、基板側から入射した光を変調
する光学多層構造体と、間隙部の光学的な大きさを変化
させるための駆動手段とを備えたものである。
The optical switching element according to the present invention has a transparent first layer on one surface of a substrate which also serves as an incident medium, a gap portion having a size capable of causing a light interference phenomenon, and having a variable size. In order to change the optical size of the optical multi-layer structure that has the structure in which the second layer and the third layer that absorbs light are arranged, and that modulates the light incident from the substrate side, and the gap portion. And a driving means of.

【0016】本発明による画像表示装置は、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ものであって、光
スイッチング素子が、入射媒質を兼ねる基板の一方の面
に、透明な第1の層、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2の層お
よび光の吸収のある第3の層を配設した構造を有し、基
板側から入射した光を変調する光学多層構造体と、間隙
部の光学的な大きさを変化させるための駆動手段とを備
えたものである。
The image display device according to the present invention displays a two-dimensional image by irradiating a plurality of one-dimensionally or two-dimensionally arranged optical switching elements with light. On one surface of the substrate which also serves as a transparent first layer, a transparent layer having a size capable of causing a light interference phenomenon and having a variable size, a second layer and a third layer having a light absorption property. It has a structure in which layers are arranged, and is provided with an optical multilayer structure for modulating light incident from the substrate side, and a driving means for changing the optical size of the gap.

【0017】本発明による光学多層構造体では、基板側
から光を入射させ、間隙部の光学的な大きさを、「λ/
4」(λは入射光の設計波長)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
変化させると、入射光の反射、透過若しくは吸収の量が
2値的あるいは連続的に変化する。
In the optical multi-layer structure according to the present invention, light is incident from the substrate side, and the optical size of the gap portion is set to "λ /
4 "(where λ is the design wavelength of the incident light) and an even multiple of" λ / 4 "(including 0) are binary or continuously changed to reflect or transmit the incident light. Alternatively, the amount of absorption changes binary or continuously.

【0018】本発明による光スイッチング素子では、基
板側から光を入射させ、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を変化させることによ
り、入射光に対してスイッチング動作がなされる。
In the optical switching element according to the present invention, light is incident from the substrate side, and the optical size of the gap portion of the optical multilayer structure is changed by the driving means, so that the switching operation can be performed with respect to the incident light. Done.

【0019】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、基板側から光が照射されることによっ
て、2次元画像が表示される。
In the image display device according to the present invention, a two-dimensional image is displayed by irradiating the plurality of optical switching elements of the present invention arranged in one or two dimensions with light from the substrate side. .

【0020】[0020]

【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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0021】図1および図2は、本発明の一実施の形態
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。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、高反射時の状態、図2は光学多層構造体1の
間隙部12がなく、低反射時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次元または2次元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。
1 and 2 show the basic structure of an optical multilayer structure 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a gap 12 which will be described later in the optical multilayer structure 1.
2 is present, and FIG. 2 shows a state when there is no gap 12 of the optical multilayer structure 1 and there is a low reflection. The optical multilayer structure 1 is specifically used, for example, as an optical switching element, and an image display device can be configured by arranging a plurality of the optical switching elements in one dimension or two dimensions.

【0022】この光学多層構造体1は、入射媒質を兼ね
る基板10の一方の面に、この基板10に接する、透明
な第1の層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、第1の層11と間隙部12を挟んで反対側に形成
された第2の層13、および第2の層13に接する、光
の吸収のある第3の層14をこの順で配設して構成した
ものである。
This optical multilayer structure 1 has a transparent first layer 11 in contact with the substrate 10 on one surface of the substrate 10 which also serves as an incident medium, and a size capable of causing a light interference phenomenon. There is absorption of light, which is in contact with the gap 12 whose size can be changed, the first layer 11 and the second layer 13 formed on the opposite side with the gap 12 interposed therebetween, and the second layer 13. The third layer 14 is arranged in this order.

【0023】基板10は、第1の層11に入射する光の
入射媒質を兼ねており、例えば酸化ケイ素(Si
2 ),ガラス,プラスチックなどの透明材料からなる
ものとしてもよい。
The substrate 10 also serves as an incident medium for the light incident on the first layer 11, and is made of, for example, silicon oxide (Si).
It may be made of a transparent material such as O 2 ), glass or plastic.

【0024】第1の層11は、酸化物材料または窒化物
材料などの透明材料からなるものであり、例えば、酸化
チタン(TiO2 )(n1 =2.4),窒化ケイ素(S
34 )(n1 =2.0),窒化アルミニウム(Al
N)(n1 =2.16),酸化ニオブ(Nb2 5
(n1 =2.2),酸化タンタル(Ta2 5 )(n1
=2.1)などにより形成されている。
The first layer 11 is made of a transparent material such as an oxide material or a nitride material. For example, titanium oxide (TiO 2 ) (n 1 = 2.4), silicon nitride (S
i 3 N 4 ) (n 1 = 2.0), aluminum nitride (Al
N) (n 1 = 2.16), niobium oxide (Nb 2 O 5 ).
(N 1 = 2.2), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) (n 1
= 2.1) or the like.

【0025】第1の層11の光学的な膜厚n1 ・d
1 は、「λ/4」(λは入射光の設計波長)以下となっ
ている。その理由は後述する。
Optical thickness n 1 · d of the first layer 11
1 is less than or equal to "λ / 4" (λ is the design wavelength of incident light). The reason will be described later.

【0026】間隙部12は、後述の駆動手段によって、
その光学的な大きさ(第1の層11と第2の層13との
間隔)が可変であるように設定されている。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(58
9.3nm)に対する屈折率nD =1.0)、窒素(N
2 )(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。本実施の形態では、間隙
部12を空気で充填している。
The gap 12 is formed by a driving means described later.
Its optical size (of the first layer 11 and the second layer 13
Interval) is set to be variable. Gap 12
The medium for filling the liquid may be gas or liquid as long as it is transparent.
As the gas, for example, air (sodium D line (58
Refractive index n for 9.3 nm)D= 1.0), nitrogen (N
2) (ND= 1.0) and the like, the liquid is water (nD=
1.333), silicone oil (nD= 1.4-1.
7), ethyl alcohol (nD= 1.3618), green
Serine (nD= 1.4730), jod methane (nD
= 1.737) and the like. In addition, the gap 12
It can also be in a vacuum state. In this embodiment, the gap
The part 12 is filled with air.

【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、透過若しくは吸収の量が2値的あ
るいは連続的に変化する。なお、上記第1の層11およ
び第2の層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。
The optical size of the gap 12 is "λ / 4".
Between "an odd multiple of .lambda." And "an even multiple of .lambda. / 4 (including 0)". As a result, the amount of reflection, transmission, or absorption of incident light changes binary or continuously. As in the case of the film thicknesses of the first layer 11 and the second layer 13, even if the film thickness is slightly different from the multiple of λ / 4, it can be complemented by a slight change in the film thickness or the refractive index of the other layers. Therefore, the expression “λ / 4” includes the case of “approximately λ / 4”.

【0028】なお、本明細書中の表記での「λ/4」は
厳密に「λ/4」でなくとも、これらの近傍の値でもよ
い。これは、例えば、一方の層の光学膜厚がλ/4より
厚くなった分、他方の層を薄くするなどして補完できる
からであり、また、後述の式(4)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るからであ
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。
It should be noted that "λ / 4" in the notation in this specification may not be strictly "λ / 4", but may be a value in the vicinity thereof. This is because, for example, the optical thickness of one layer becomes thicker than λ / 4, which can be complemented by making the other layer thinner, and the refractive index can be slightly calculated from the formula (4) described later. This is because the film thickness can be adjusted in some cases even when there is a deviation. Therefore, in this specification, the expression “λ / 4” also includes the case of “approximately λ / 4”.

【0029】第2の層13は、タングステン(W),タ
ンタル(Ta),チタン(Ti)などの金属,窒化チタ
ン(TiN)などの窒化金属,またはゲルマニウム(G
e)などの半導体などの光の吸収のある材料からなるも
のとしてもよい。なお、第2の層13の材料例について
は、後で図7を用いて説明する。
The second layer 13 is made of metal such as tungsten (W), tantalum (Ta), titanium (Ti), metal nitride such as titanium nitride (TiN), or germanium (G).
It may be made of a material that absorbs light, such as a semiconductor such as e). Note that an example of the material of the second layer 13 will be described later with reference to FIG. 7.

【0030】第3の層14は、酸化クロム(CrO)な
どの酸化金属,窒化チタン(TiN)などの窒化金属,
カーボン(C),グラファイト(黒鉛),シリコンカー
バイド(SiC)などの炭化物またはシリコン(Si)
などの半導体などの、光の吸収のある材料からなるもの
としてもよい。なお、第3の層14の材料例について
は、後で図7を用いて説明する。
The third layer 14 is a metal oxide such as chromium oxide (CrO), a metal nitride such as titanium nitride (TiN),
Carbide such as carbon (C), graphite (graphite), silicon carbide (SiC) or silicon (Si)
It may be made of a material that absorbs light, such as a semiconductor. Note that an example of the material of the third layer 14 will be described later with reference to FIG. 7.

【0031】第3の層14は、光を透過しない程度の膜
厚を有することが好ましい。低反射時において入射光が
第3の層14によって吸収され、迷光などが発生する虞
がなくなるからである。
The third layer 14 preferably has a thickness that does not transmit light. This is because the incident light is absorbed by the third layer 14 at the time of low reflection, and there is no possibility of generating stray light or the like.

【0032】第1の層11,第2の層13および第3の
層14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。
The first layer 11, the second layer 13 and the third layer 14 may be a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics, but in this case, the composite layer It is necessary that the combined optical characteristics have the same characteristics as those of the single layer.

【0033】次に、図3および図4、ならびに図5を参
照して、上記のような光学多層構造体1を実現するため
に上記した各層の光学定数が満たすべき条件について説
明する。以下の説明において用いる図3および図4は、
図1および図2に示した光学多層構造体1を表している
が、説明をわかりやすくするために、入射媒質である基
板10を点線で表し、透明な第1の層11を最上層、光
の吸収のある第3の層14を最下層として、図1および
図2とは逆の順序で示している。
Next, with reference to FIGS. 3 and 4, and FIG. 5, conditions to be satisfied by the optical constants of the respective layers described above in order to realize the above optical multilayer structure 1 will be described. 3 and 4 used in the following description,
Although the optical multilayer structure 1 shown in FIGS. 1 and 2 is shown, the substrate 10 as an incident medium is indicated by a dotted line, the transparent first layer 11 is the uppermost layer, and the optical layer 1 is an optical layer for the sake of clarity. The third layer 14 having the above absorption is shown as the bottom layer in the reverse order of FIGS. 1 and 2.

【0034】本実施の形態では、図3および図4に示し
たように、nS の屈折率を持つ透明な基板10が入射媒
質であり、n1 の屈折率を持つ透明な第1の層11が最
上層であり、第2の層13と最下層である第3の層14
とが光の吸収のある材料により形成されている。図3は
間隙部12が存在し、高反射時の状態、図4は間隙部1
2がなく、低反射時の状態をそれぞれ示している。
In this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the transparent substrate 10 having a refractive index of n S is an incident medium, and the transparent first layer having a refractive index of n 1 is used. 11 is the uppermost layer, and the second layer 13 and the lowermost third layer 14
And are made of a material that absorbs light. FIG. 3 shows a state where there is a gap portion 12 and high reflection, and FIG. 4 shows the gap portion 1.
There is no 2 and the state at the time of low reflection is shown.

【0035】まず、図4に示した間隙部12がない場
合、すなわち低反射の場合には、第1の層11,第2の
層12および第3の層14のそれぞれの材料の光学アド
ミッタンスを合成した合成光学アドミッタンスが、基板
10の光学アドミッタンス(n S と等値)となるように
すれば、設計波長に対する反射率を0とすることができ
る。ここで、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,iは虚数
単位)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。
First, when there is no gap 12 shown in FIG.
In the case of low reflection, that is, the first layer 11 and the second layer
Optical add of respective material of layer 12 and third layer 14
Substrate is a synthetic optical admittance that combines Mittance.
10 optical admittances (n STo be equal to)
By doing so, the reflectance for the design wavelength can be made zero.
It Here, the optical admittance y is the complex refractive index N
(= N−i · k, n is the refractive index, k is the extinction coefficient, and i is the imaginary number
Unit) and the value is the same. For example, the admittance of air
S is y (air) = 1, n (air) = 1, glass admittance
The ratio is y (glass) = 1.52, n (glass) =
It is 1.52.

【0036】すなわち、n1 の屈折率を持つ透明な第1
の層11が、ダイアグラム上の(n S ,0)の点 (基板
10の光学アドミッタンスであり、屈折率と等値) を通
る軌跡は、図5に示したように、実軸Re(Y)上でn
S とn1 2 /nS とを通り、中心Cが(n1 2
S 2 )/2nS 、半径rが(n1 2 −nS 2 )/2n
S の円弧aとなる。ここで、第3の層14の材料の光学
アドミッタンスy3 (=複素屈折率N3 (=n3 −i・
3 、n3 は屈折率、k3 は消衰係数、iは虚数単
位))が図5の円弧aの内側にあり、円弧aの外側に、
第2の層13の材料の光学アドミッタンスy2 (=複素
屈折率N2 (=n2 −i・k2 、n2 は屈折率、k 2
消衰係数、iは虚数単位))があるとすると、第3の層
14と第2の層13との合成光学アドミッタンスy
32は、第3の層14の光学アドミッタンスy3 から出発
して、第2の層13の膜厚増加とともに緩やかなカーブ
を描き、第2の層13の光学アドミッタンスy2 に帰着
する。第3の層14の光学アドミッタンスy3 と第2の
層13の光学アドミッタンスy2 とは、第1の層11の
円弧aを挟んで反対側に位置しているので、第3の層1
4と第2の層13との合成光学アドミッタンスy32は、
第1の層11の円弧aを必ず横切る。こうして、第3の
層14と第2の層13との合成光学アドミッタンスy32
が第1の層11の円弧aとの交点における値となるよう
に、第2の層13の膜厚を決めることができる。第3の
層14,第2の層13および第1の層11の合成光学ア
ドミッタンスは、この交点から第1の層11の円弧aに
沿って移動する。したがって、第1の層11,第2の層
12および第3の層14の合成光学アドミッタンスが、
基板10の光学アドミッタンス(nS と等値)となるよ
うに第1の層11の膜厚を決めることができる。
That is, n1Transparent first with a refractive index of
Layer 11 of the (n S, 0) point (board
10 optical admittance, which is equivalent to the refractive index)
As shown in FIG. 5, the locus of movement is n on the real axis Re (Y).
SAnd n1 2/ NS, And the center C is (n1 2+
nS 2) / 2nS, Radius r is (n1 2-NS 2) / 2n
SArc a. Where the optics of the material of the third layer 14
Admittance y3(= Complex refractive index N3(= N3-I
k3, N3Is the refractive index, k3Is the extinction coefficient, i is the imaginary unit
Position)) is inside the arc a in FIG. 5 and outside the arc a,
Optical admittance y of the material of the second layer 132(= Complex
Refractive index N2(= N2-I ・ k2, N2Is the refractive index, k 2Is
Extinction coefficient, i is an imaginary unit)), the third layer
14 and second layer 13 combined optical admittance y
32Is the optical admittance y of the third layer 14.3Depart from
Then, as the film thickness of the second layer 13 increases, a gentle curve
, And the optical admittance y of the second layer 132Return to
To do. Optical admittance y of the third layer 143And the second
Optical admittance y of layer 132Means that of the first layer 11
Since it is located on the opposite side across the arc a, the third layer 1
4 and second layer 13 combined optical admittance y32Is
The arc a of the first layer 11 must be crossed. Thus, the third
Synthetic optical admittance y of the layer 14 and the second layer 1332
Becomes a value at the intersection with the arc a of the first layer 11.
Moreover, the film thickness of the second layer 13 can be determined. Third
Synthetic optical array of layer 14, second layer 13 and first layer 11
Domittance changes from this intersection to the arc a of the first layer 11.
Move along. Therefore, the first layer 11 and the second layer
The combined optical admittance of 12 and the third layer 14 is
Optical admittance of substrate 10 (nSIs equal to)
Thus, the film thickness of the first layer 11 can be determined.

【0037】このように、第3の層14の光学アドミッ
タンスy3 と第2の層13の光学アドミッタンスy2
が、第1の層11の光学的特性に依存する円弧aを挟ん
で反対側に位置するようにすれば、設計波長に対する反
射率が0となるような膜厚の組合せが必ず存在する。第
3の層14の光学アドミッタンスy3 が円弧aの内側で
もよいし外側でもよい。
[0037] Thus, the optical admittance y 3 of the third layer 14 and the optical admittance y 2 of the second layer 13, opposite side of the arc a which depends on the optical properties of the first layer 11 Therefore, there is always a combination of film thicknesses such that the reflectance with respect to the design wavelength is 0. The optical admittance y 3 of the third layer 14 may be inside or outside the arc a.

【0038】かかる条件を満たすための、第3の層14
および第2の層13の光学定数の関係は、次式(4)の
ようになる。但し、別の光学定数を持った材料をごく薄
く配することで第3の層14,第2の層13および第1
の層11の合成光学アドミッタンスがnS に帰着するこ
ともあるので、式(4)を完全に満たさなくても良い場
合もあることから、式(4)をほぼ満たす状態であれば
よい。
The third layer 14 for satisfying such conditions
The relationship between the optical constants of the second layer 13 and the second layer 13 is expressed by the following equation (4). However, by arranging a material having another optical constant very thinly, the third layer 14, the second layer 13, and the first layer 13 can be formed.
Since the combined optical admittance of the layer 11 of n may be reduced to n S , it may not be necessary to completely satisfy the equation (4). Therefore, it is sufficient if the equation (4) is substantially satisfied.

【0039】[0039]

【数4】 [Equation 4]

【0040】図5において、第1の層11の光学的な膜
厚n1 ・d1 は、(nS ,0)から出発した第1の層1
1の円弧aがちょうど半円となる(実軸上のn1 2 /n
S )ときに、「λ/4」(λは入射光の設計波長)とな
る。第3の層14と第2の層13との合成光学アドミッ
タンスy32が第1の層11の円弧aを横切るのはその半
円の途中であるから、第1の層11の光学的な膜厚n1
・d1 は、「λ/4」以下であることになる。
In FIG. 5, the optical film thickness n 1 · d 1 of the first layer 11 is the first layer 1 starting from (n S , 0).
The arc a of 1 becomes a semicircle (n 1 2 / n on the real axis)
S ), it becomes “λ / 4” (λ is the design wavelength of the incident light). Since the combined optical admittance y 32 of the third layer 14 and the second layer 13 crosses the arc a of the first layer 11 in the middle of the semicircle, the optical film of the first layer 11 is formed. Thickness n 1
・ D 1 is less than or equal to “λ / 4”.

【0041】一方、図3に示したように、間隙部12が
ある場合には、第1の層11,間隙部12,第2の層1
3および第3の層14の合成光学アドミッタンスが、基
板10の屈折率nS に帰着せず、高反射となる。
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the gap portion 12 is provided, the first layer 11, the gap portion 12 and the second layer 1 are provided.
The combined optical admittance of the third and third layers 14 does not result in a refractive index n S of the substrate 10 and is highly reflective.

【0042】すなわち、この光学多層構造体1では、第
1の層11と第2の層13との間の間隙部12の間隔が
「0」のときには反射防止膜となり、その間隔が設計波
長に対し光学的にほぼλ/4の時には反射膜となる。つ
まり、間隔を「0」と「λ/4」との間で可変とするこ
とで、後述のように反射率を「0」と「70%」以上と
に変えられる光スイッチング素子を実現することができ
る。間隙部12の大きさを可変とするためには、基板1
0および第1の層11のうちの少なくとも一方と、第2
の層13および第3の層14のうちの少なくとも一方と
に、少なくとも一部にITO(Indium-Tin Oxide)(n
=2.0)などの透明導電膜を含め、静電気により駆動
するなどの方法が考えられる。透明導電膜は、ITOの
ほか、酸化スズ(SnO2 )(n=2.0),酸化亜鉛
(ZnO)(n=2.0)からなるものでもよい。
That is, in this optical multilayer structure 1, when the gap 12 between the first layer 11 and the second layer 13 is "0", it serves as an antireflection film, and the gap becomes the design wavelength. On the other hand, when it is optically approximately λ / 4, it becomes a reflective film. That is, by making the interval variable between “0” and “λ / 4”, it is possible to realize an optical switching element whose reflectance can be changed to “0” and “70%” or more as described later. You can In order to make the size of the gap 12 variable, the substrate 1
0 and at least one of the first layer 11 and the second
Of at least one of the third layer 13 and the third layer 14 of at least a part of ITO (Indium-Tin Oxide) (n
= 2.0) and other methods, such as driving by static electricity, including a transparent conductive film. The transparent conductive film may be made of tin oxide (SnO 2 ) (n = 2.0) or zinc oxide (ZnO) (n = 2.0) in addition to ITO.

【0043】ところで、上記式(4)において、等号
は、第2の層13の光学的特性が第3の層14の光学的
特性に等しい場合、すなわち、図6に示したように、図
3において第2の層13が省略されている場合にあた
る。図5の光学アドミッタンスダイアグラムでは、第3
の層14の光学アドミッタンスy3 が第1の層11の円
弧a上にある場合に相当する。
By the way, in the above equation (4), the equal sign indicates that the optical characteristic of the second layer 13 is equal to the optical characteristic of the third layer 14, that is, as shown in FIG. This corresponds to the case where the second layer 13 is omitted in 3. In the optical admittance diagram of FIG.
This corresponds to the case where the optical admittance y 3 of the layer 14 is on the arc a of the first layer 11.

【0044】このような光学多層構造体の材料の組み合
わせとしては、上記のような制約を満足すればよく、そ
の選定の自由度は広い。図7は、基板10がSiO2
第1の層11がTiO2 である場合の第1の層11の光
学アドミッタンスダイアグラムを表す曲線a(図5の円
弧aに相当)と、第2の層13および第3の層14とし
て用いうる各種材料の光学アドミッタンス(複素屈折率
と等値)とを合わせて示したものである。図7の曲線
(半円)aの内側の材料と外側の材料とを組み合せれば
上述の光学多層構造体を実現する設計が見つかる。表1
はその一例を表すものである。なお、表1における光学
特性は、Palik の文献値を用いている(E.D. Palik, Ha
ndbook of Optical Constants of Solids, Academic Pr
ess )。
As a combination of materials for such an optical multi-layer structure, it is sufficient that the above constraints are satisfied, and the degree of freedom in selection is wide. In FIG. 7, the substrate 10 is SiO 2 .
It can be used as the curve a (corresponding to the arc a in FIG. 5) representing the optical admittance diagram of the first layer 11 when the first layer 11 is TiO 2 , and as the second layer 13 and the third layer 14. It also shows the optical admittance (equivalent to the complex refractive index) of various materials. A combination of the material inside and outside the curve (semicircle) a in FIG. 7 finds a design that realizes the optical multilayer structure described above. Table 1
Represents an example thereof. The optical characteristics in Table 1 are based on Palik's literature values (ED Palik, Ha
ndbook of Optical Constants of Solids, Academic Pr
ess).

【0045】[0045]

【表1】 [Table 1]

【0046】ここでは、基板10としてクオーツ(Si
2 )、第1の層11としてTiO 2 層、間隙部12と
して空気層(n=1.00)、第2の層13としてタン
グステン層、第3の層14としてカーボン層を用いた。
カーボン層からなる第3の層14は、上述したように光
を透過しない程度の膜厚を有するが、ここでは300n
m以上としている。その理由は、第3の層14のカーボ
ン層の膜厚が100nm,300nmおよび十分に厚い
場合のそれぞれについて低反射時の反射特性を調べたと
ころ、図8に示したように、膜厚300nmでは十分に
厚い場合とほぼ同程度の反射特性を示したからである。
なお、図8において、曲線8Aは膜厚100nmの場
合、曲線8Bは膜厚300nmの場合、そして曲線8C
は膜厚が十分に厚い場合を表している。
Here, the substrate 10 is made of quartz (Si
O2), TiO as the first layer 11 2Layers, gaps 12 and
The air layer (n = 1.00) and the second layer 13 are
A carbon layer was used as the Gusten layer and the third layer 14.
As described above, the third layer 14 made of a carbon layer is light-sensitive.
The film thickness is such that it does not pass through
m and above. The reason is that the carb of the third layer 14 is
Film thickness of 100 nm, 300 nm and sufficiently thick
For each case, we investigated the reflection characteristics at low reflection.
However, as shown in FIG. 8, a film thickness of 300 nm is sufficient.
This is because the reflection characteristics are almost the same as those of the thick case.
In addition, in FIG. 8, the curve 8A is for a film thickness of 100 nm.
Curve 8B when the film thickness is 300 nm, and curve 8C
Indicates that the film thickness is sufficiently thick.

【0047】図9は、このような構成で、入射光の波長
(設計波長550nm)と反射率との関係をシミュレー
ションした結果を表すものである。ここで、曲線9Aは
間隙部12(空気層)の光学膜厚が「0」(低反射
側)、曲線9Bは光学膜厚が「λ/4」(138nm)
(高反射側)の場合の特性をそれぞれ表している。図9
から分かるように、設計波長550nmで、低反射時は
0%、高反射時は73%の反射特性を示している。ま
た、図10は、低反射時の合成光学アドミッタンスダイ
アグラムを示すもので、合成光学アドミッタンスが1.
46(基板10の屈折率)に帰着していることが分か
る。これに対して、図11は、高反射時の合成光学アド
ミッタンスダイアグラムを示すもので、合成光学アドミ
ッタンスは基板10の屈折率に帰着していない。
FIG. 9 shows a result of simulating the relationship between the wavelength of the incident light (design wavelength 550 nm) and the reflectance with such a configuration. Here, the curve 9A has an optical film thickness of the gap 12 (air layer) of “0” (low reflection side), and the curve 9B has an optical film thickness of “λ / 4” (138 nm).
The characteristics in the case of (high reflection side) are shown. Figure 9
As can be seen from the figure, at the design wavelength of 550 nm, the reflection characteristics are 0% at low reflection and 73% at high reflection. FIG. 10 shows a combined optical admittance diagram at the time of low reflection, where the combined optical admittance is 1.
It can be seen that this results in 46 (refractive index of the substrate 10). On the other hand, FIG. 11 shows a combined optical admittance diagram at the time of high reflection, and the combined optical admittance does not result in the refractive index of the substrate 10.

【0048】なお、図7に示した各種材料の光学アドミ
ッタンス(複素屈折率と等値)から分かるように、第2
の層13の材料としては、タングステンの代わりにゲル
マニウム,タンタル,チタンなどを用いても同等の特性
を得ることができる。また、基板10はガラスまたはプ
ラスチックでもよい。
As can be seen from the optical admittance (equivalent to complex refractive index) of various materials shown in FIG.
The same characteristics can be obtained by using germanium, tantalum, titanium or the like instead of tungsten as the material of the layer 13. The substrate 10 may also be glass or plastic.

【0049】表2は、上記式(4)において等号の場
合、すなわち、第2の層13の光学的特性を第3の層1
4の光学的特性に等しくして第2の層13を省略した構
成(図6参照)の一例を示したものである。
Table 2 shows the optical characteristics of the second layer 13 in the case of the equal sign in the above formula (4), that is, the third layer 1
7 shows an example of a configuration (see FIG. 6) in which the second layer 13 is omitted by making the optical characteristics equal to those of No. 4 in FIG.

【0050】[0050]

【表2】 [Table 2]

【0051】ここでは、基板10としてクオーツ(Si
2 )、第1の層11としてTiO 2 層、間隙部12と
して空気層(n=1.00)を用いたことは表1の例と
同様であるが、第2の層13を省略し、第3の層14と
してシリコン(Si)結晶を用いている。図7から分か
るように、シリコン結晶の光学アドミッタンス(複素屈
折率と等値)は、ほぼ、TiO2 層からなる第1の層1
1の光学アドミッタンス曲線a上にある。
Here, as the substrate 10, quartz (Si
O2), TiO as the first layer 11 2Layers, gaps 12 and
And using the air layer (n = 1.00) is similar to the example in Table 1.
Similarly, but omitting the second layer 13 and replacing the third layer 14 with
Then, a silicon (Si) crystal is used. From Figure 7
, The optical admittance of the silicon crystal (complex
Folding rate and equivalent) are almost2First layer consisting of layers 1
It is on the optical admittance curve a of 1.

【0052】図12は、表2に示した構成で、入射光の
波長(設計波長550nm)と反射率との関係をシミュ
レーションした結果を表すものである。ここで、曲線1
2Aは間隙部12(空気層)の光学膜厚が「0」(低反
射側)、曲線12Bは光学膜厚が「λ/4」(138n
m)(高反射側)の場合の特性をそれぞれ表している。
図12から分かるように、設計波長550nmで、低反
射時は0.2%、高反射時は76%の反射特性を示して
いる。
FIG. 12 shows a result of simulating the relationship between the wavelength of the incident light (design wavelength 550 nm) and the reflectance with the configuration shown in Table 2. Where curve 1
2A has an optical film thickness of the gap 12 (air layer) of "0" (low reflection side), and curve 12B has an optical film thickness of "λ / 4" (138n).
m) (high reflection side).
As can be seen from FIG. 12, at the design wavelength of 550 nm, 0.2% at low reflection and 76% at high reflection are shown.

【0053】本実施の形態の光学多層構造体1は、基板
10側から光を入射させ、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、入射した光の
反射,透過若しくは吸収の量を変化させるものである。
In the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, light is made incident from the substrate 10 side, and the optical size of the gap portion 12 is set to an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (0. (For example, between “λ / 4” and “0”), the amount of reflection, transmission, or absorption of incident light is changed. It is a thing.

【0054】このように本実施の形態では、基板10側
からの入射光に変調をかけるようにしたので、基板10
自体が光学多層構造体1の透明保護基板を兼ねることが
できるようになる。したがって、基板10側(光が入射
する側)に別の透明保護基板を配置する必要がなくな
り、反射界面が少なくて済む。さらに、この光学多層構
造体1を用いて画像表示装置を形成する場合には、基板
10の他方の面にカラーフィルターなどを直接作り込む
ことができ、カラーフィルターを形成した透明保護基板
を別部品として用意する必要がなくなる。また、光学多
層構造体1の第2の層14側の保護部材は、光が入射し
ないので透明基板である必要はなく、不透明な材料、例
えば安価な金属板などでもよく、どのようなものを配置
してもよい。
As described above, in the present embodiment, since the incident light from the substrate 10 side is modulated, the substrate 10
It becomes possible to serve as the transparent protective substrate of the optical multilayer structure 1 by itself. Therefore, it is not necessary to dispose another transparent protective substrate on the substrate 10 side (the side on which light is incident), and the number of reflective interfaces can be reduced. Furthermore, when an image display device is formed by using this optical multilayer structure 1, a color filter or the like can be directly formed on the other surface of the substrate 10, and a transparent protective substrate on which the color filter is formed is a separate component. There is no need to prepare as. Further, the protective member on the second layer 14 side of the optical multilayer structure 1 does not need to be a transparent substrate because light does not enter, and an opaque material such as an inexpensive metal plate may be used. You may arrange.

【0055】また、例えば550nmなどの可視光領域
においても、低反射時の反射率を殆ど0、高反射時の反
射率を70%以上とすることができるので、1000対
1程度の高コントラストのディスプレイを実現可能であ
る。しかも、構成が簡単であるので、GLVなどの回折
格子構造やDMDなどの複雑な3次元構造よりも容易に
作製することができる。また、GLVは1つのピクセル
に6本の格子状のリボンが必要であるが、本実施の形態
では1本で済むので、構成が簡単であり、かつ小さく作
製することが可能である。また、可動部分の移動範囲も
高々「λ/2」であるため、10nsレベルの高速応答
が可能になる。よって、ディスプレイ用途のライトバル
ブとして用いる場合には、後述のように1次元アレイの
簡単な構成で実現することができる。
Further, even in the visible light region such as 550 nm, the reflectance at the time of low reflection can be almost 0 and the reflectance at the time of high reflection can be 70% or more, so that a high contrast of about 1000: 1 can be obtained. A display is feasible. Moreover, since the structure is simple, it can be manufactured more easily than a diffraction grating structure such as GLV or a complicated three-dimensional structure such as DMD. Further, the GLV requires six lattice-shaped ribbons for each pixel, but in the present embodiment, only one ribbon is required, so that the configuration is simple and can be made small. Further, since the moving range of the movable part is at most "λ / 2", high-speed response of 10 ns level becomes possible. Therefore, when it is used as a light valve for display, it can be realized with a simple structure of a one-dimensional array as described later.

【0056】更に、本実施の形態の光学多層構造体1
は、間隙部を金属薄膜や反射層で挟んだ構造の狭帯域透
過フィルタ、すなわちファブリーペロータイプのものと
は本質的に異なるものであるため、低反射帯の帯域幅を
広くすることができる。よって、製作時の膜厚管理のマ
ージンを比較的広くとることが可能であり、設計の自由
度が増す。
Furthermore, the optical multilayer structure 1 of the present embodiment
Is essentially different from a narrow band transmission filter having a structure in which a gap is sandwiched by a metal thin film or a reflective layer, that is, a Fabry-Perot type filter, and therefore the bandwidth of the low reflection band can be widened. Therefore, it is possible to take a relatively wide margin of the film thickness control at the time of manufacturing, and the degree of freedom in design is increased.

【0057】また、本実施の形態では、第2の層13お
よび第3の層14の複素屈折率はある条件を満足する値
であれば良いため、材料の選択の自由度が広くなる。さ
らに、第3の層14は光を透過しない程度の厚さを有す
るので、低反射時において入射光は第3の層14に吸収
され、迷光などが発生する心配はなくなる。
Further, in the present embodiment, the complex refractive indexes of the second layer 13 and the third layer 14 need only be values satisfying certain conditions, so that the degree of freedom in selecting materials is widened. Furthermore, since the third layer 14 has a thickness that does not transmit light, incident light is absorbed by the third layer 14 at the time of low reflection, and there is no fear of generating stray light or the like.

【0058】以上のように、本実施の形態の光学多層構
造体1を用いることにより、高速で小型であり、しかも
信頼性の向上した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。これらの詳細については後
述する。
As described above, by using the optical multilayer structure 1 of the present embodiment, it is possible to realize an optical switching element and an image display device which are small in size at high speed and have improved reliability. Details of these will be described later.

【0059】〔駆動方法〕次に、上記光学多層構造体1
における間隙部12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。
[Driving Method] Next, the above optical multilayer structure 1
A specific means for changing the size of the gap portion 12 will be described.

【0060】図13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
な基板10の上の第1の層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の層13および第3の層14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。
FIG. 13 shows an example of driving an optical multilayer structure by static electricity. In this optical multilayer structure, electrodes 16a, 16a made of, for example, aluminum are provided on both sides of a first layer 11 on a transparent substrate 10, and the second layer 13 and the third layer 14 are made of, for example, silicon nitride. Supported by a support 15 made of (Si 3 N 4 ),
The electrodes 16b and 16b are formed on the support 15 at positions facing the electrodes 16a and 16a.

【0061】この光学多層構造体では、電極16a,1
6a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。
In this optical multilayer structure, the electrodes 16a, 1
6a and the electrodes 16b, 16b are electrostatically attracted to each other by an electrostatic attraction force to cause the optical film thickness of the gap 12 to fall between, for example, "λ / 4" and "0", or "λ".
Binary switching between “/ 4” and “λ / 2”. Of course, by continuously changing the voltage applied to the electrodes 16a, 16a and the electrodes 16b, 16b, the size of the gap 12 is continuously changed within a certain range, and the incident light is reflected or transmitted. Alternatively, the amount of absorption or the like can be changed continuously (analogically).

【0062】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14および図15に示した方法によ
ってもよい。図14に示した光学多層構造体1は、透明
な基板10の上の第1の層11上に例えばITO(Indi
um-Tin Oxide) からなる透明導電膜17aを設けると共
に、第2の層13および第3の層14を架橋構造に形成
し、この第2の層13および第3の層14の外面に同じ
くITOからなる透明導電膜17bを設けたものであ
る。
Other than the method of driving the optical multilayer structure by static electricity, the method shown in FIGS. 14 and 15 may be used. The optical multi-layer structure 1 shown in FIG. 14 has, for example, an ITO (Indi
a transparent conductive film 17a made of um-Tin Oxide) is provided, and the second layer 13 and the third layer 14 are formed in a cross-linked structure, and ITO is also formed on the outer surfaces of the second layer 13 and the third layer 14. A transparent conductive film 17b made of is provided.

【0063】この光学多層構造体では、透明導電膜17
a,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。
In this optical multilayer structure, the transparent conductive film 17 is used.
The optical film thickness of the gap portion 12 can be switched by the electrostatic attraction generated by the potential difference due to the voltage application between a and 17b.

【0064】図15に示した光学多層構造体では、図1
3の光学多層構造体の透明導電膜17aの代わりに、導
電性のある第1の層11として例えばITOなどの高屈
折率透明導電膜を配したものである。
In the optical multilayer structure shown in FIG. 15, the structure shown in FIG.
In place of the transparent conductive film 17a of the optical multi-layer structure of 3, a high refractive index transparent conductive film such as ITO is provided as the conductive first layer 11.

【0065】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16(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3の層14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/4」(図1
6(A))と「0」(図16(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。
In addition to such static electricity, various methods can be considered for driving the optical multilayer structure, such as a method using a micromachine such as a toggle mechanism or a piezoelectric element, a method using magnetic force, or a method using a shape memory alloy. 16 (A) and 16 (B) 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 third layer 14, and an electromagnetic coil 41 is provided below the substrate 10. By switching the electromagnetic coil 41 on and off, the gap of the gap 12 is set to, for example, "λ / 4" (see FIG. 1).
6 (A)) and "0" (FIG. 16 (B)) can be switched to change the reflectance.

【0066】〔光スイッチング装置〕図17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基板110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、基板110の一方の面の一方向(素子
配列方向)に沿って例えばITO膜111AとTiO2
膜111Bとが形成されている。このITO膜111A
とTiO2 膜111Bとが、上記実施の形態における第
1の層11に対応する。
[Optical Switching Device] FIG. 17 shows a configuration of an optical switching device 100 using the optical multilayer structure 1. A plurality of optical switching devices 100 (four in the figure) are provided on a substrate 110 made of glass, for example.
The optical switching elements 100A to 100D are arranged in a one-dimensional array. In addition, it is not limited to one-dimensional
It may be arranged in a dimension. In this optical switching device 100, for example, the ITO film 111A and the TiO 2 film are arranged along one direction (element arrangement direction) of one surface of the substrate 110.
The film 111B is formed. This ITO film 111A
And the TiO 2 film 111B correspond to the first layer 11 in the above-described embodiment.

【0067】基板110上には、ITO膜111Aおよ
び窒化ケイ素膜111Bに対して直交する方向に、複数
本のタングステン(W)膜113が配設されている。タ
ングステン膜113の外側には、カーボン(C)膜11
4が配設されている。これらタングステン膜113およ
びカーボン膜114が上記実施の形態の第2の層13お
よび第3の層14にそれぞれ対応する。TiO2 膜11
1Bとタングステン膜113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112が設けられている。間隙部112の光学膜厚
は、入射光の波長(λ=550nm)に対しては、例え
ば「λ/4」(138nm)と「0」との間で変化する
ようになっている。
On the substrate 110, a plurality of tungsten (W) films 113 are arranged in a direction orthogonal to the ITO film 111A and the silicon nitride film 111B. The carbon (C) film 11 is provided outside the tungsten film 113.
4 are provided. The tungsten film 113 and the carbon film 114 correspond to the second layer 13 and the third layer 14 of the above-described embodiment, respectively. TiO 2 film 11
Between 1B and the tungsten film 113, a gap 112 whose size changes according to a switching operation (ON / OFF) is provided. The optical film thickness of the gap 112 changes with respect to the wavelength of incident light (λ = 550 nm), for example, between “λ / 4” (138 nm) and “0”.

【0068】光スイッチング素子100A〜100D
は、例えばITO膜111Aおよびタングステン膜11
3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」との間で切り替える。図17では、光スイッチン
グ素子100A,100Cが間隙部12が「0」の状態
(すなわち、低反射状態)、光スイッチング素子100
B,100Dが間隙部12が「λ/4」の状態(すなわ
ち、高反射状態)を示している。なお、ITO膜111
Aおよびタングステン膜113と、電圧印加装置(図示
せず)とにより、本発明の「駆動手段」が構成されてい
る。
Optical switching elements 100A to 100D
Is, for example, the ITO film 111A and the tungsten film 11
The optical film thickness of the gap 12 is switched between, for example, "λ / 4" and "0" by the electrostatic attractive force generated by the potential difference due to the voltage application to 3. In FIG. 17, in the optical switching elements 100A and 100C, the gap 12 is in the state of “0” (that is, in the low reflection state), the optical switching element 100.
B and 100D show the state where the gap portion 12 is "λ / 4" (that is, the high reflection state). The ITO film 111
The A and tungsten films 113 and the voltage application device (not shown) constitute the "driving means" of the present invention.

【0069】この光スイッチング装置100では、IT
O膜111Aを接地して電位を0Vとし、第2の層13
に対応するタングステン膜113に例えば+12Vの電
圧を印加すると、その電位差によりITO膜111Aと
タングステン膜113との間に静電引力が発生し、図1
7では光スイッチング素子100A,100Cのように
第1の層と第2の層とが密着し、間隙部112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、更に第3の層14に対応するカーボン膜
114に吸収される。
In this optical switching device 100, the IT
The O film 111A is grounded to have a potential of 0 V, and the second layer 13
When a voltage of, for example, +12 V is applied to the tungsten film 113 corresponding to, an electrostatic attraction is generated between the ITO film 111A and the tungsten film 113 due to the potential difference, and
7, the first layer and the second layer are in close contact with each other like the optical switching elements 100A and 100C, and the gap 112 is "0".
It becomes the state of. In this state, the incident light P 1 passes through the multilayer structure and is further absorbed by the carbon film 114 corresponding to the third layer 14.

【0070】次に、第2の層側の透明導電膜106を接
地させ電位を0Vにすると、TaN X 膜102とITO
膜106との間の静電引力がなくなり、図14では光ス
イッチング素子100B,100Dのように第1の層と
第2の層との間が離間して、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。
Next, the transparent conductive film 106 on the second layer side is contacted.
When the ground potential is set to 0 V, TaN XMembrane 102 and ITO
The electrostatic attraction between the film 106 and the film 106 disappears, and in FIG.
As with the first elements such as the switching elements 100B and 100D
The gap between the second layer and the second layer is "λ / 4".
It becomes a state. In this state, the incident light P1Is reflected and anti
Light P3Becomes

【0071】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、反射光がない状態と反射光P3 が発生する状態
の2値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 を反射がない状態から反射光P3 が発生
する状態に連続的に切り替えることも可能である。
In this way, in the present embodiment, in each of the optical switching elements 100A to 100D, the gap of the incident light P 1 is switched to the binary value by the electrostatic force so that there is no reflected light and the reflected light P. It can be taken out by switching to a binary value where 3 occurs. Of course, by continuously changing the size of the gap as described above, it is possible to continuously switch the incident light P 1 from the state without reflection to the state in which the reflected light P 3 is generated.

【0072】これら光スイッチング素子100A〜10
0D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。
These optical switching elements 100A to 10A
At 0D, the distance that the movable portion has to move is about “λ / 2 (or λ / 4)” of the incident light even if it is large, so that the response speed is sufficiently high as about 10 ns.
Therefore, a light valve for display can be realized with a one-dimensional array structure.

【0073】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。
In addition, in the present embodiment, if a plurality of optical switching elements are assigned to one pixel, they can be driven independently of each other. Therefore, when performing gradation display of image display as an image display device, Not only the method by division but also gradation display by area is possible.

【0074】〔画像表示装置〕図18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。
[Image Display Device] FIG. 18 shows an example of an image display device using the optical switching device 100.
It shows the configuration of the projection display. Here, the optical switching elements 100A to 100D
An example in which the reflected light P 3 from P is used for image display will be described.

【0075】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,201
b,201c、ダイクロイックミラー202a,202
b,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。
This projection display comprises light sources 200a, 200b and 200c made of lasers of red (R), green (G) and blue (B) colors, and an optical switching element array 201a provided corresponding to each light source. 201
b, 201c, dichroic mirrors 202a, 202
b, 202c, a projection lens 203, a galvanometer mirror 204 as a one-axis 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 one in which a plurality of the above-mentioned switching elements are arranged in a direction perpendicular to the plane of the drawing, and the necessary number of pixels, for example, 1000, are arranged one-dimensionally, and thereby a light valve is configured. ing.

【0076】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2
02a,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20
3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。
In this projection display,
The light emitted from the light sources 200a, 200b, and 200c for each of the RGB colors is converted into the optical switching element array 201a and
It is incident on 201b and 201c. In addition, it is preferable that the incident angle is as close to 0 as possible so that the influence of polarization is not exerted, and the incident angle is vertical. The reflected light P 3 from each optical switching element is reflected by the dichroic mirror 2
The light is focused on the projection lens 203 by 02a, 202b, and 202c. Projection lens 20
The light condensed at 3 is scanned by the galvano mirror 204 and projected on the projection screen 205 as a two-dimensional image.

【0077】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。
As described above, in this projection display, a plurality of optical switching elements are arranged in a one-dimensional array, RGB light is emitted respectively, and the switched light is scanned by a one-axis scanner to produce a two-dimensional image. Can be displayed.

【0078】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、
光学系を組む際に、偏光等を考慮にする必要がなく、構
成が簡単である。
Further, in the present embodiment, since the reflectance at the time of low reflection can be set to 0.1% or less and the reflectance at the time of high reflection can be set to 70% or more, a high contrast of about 1,000 to 1 can be obtained. Since it is possible to display and the characteristics can be obtained at the position where light is vertically incident on the element,
When assembling the optical system, it is not necessary to consider polarization and the like, and the configuration is simple.

【0079】以上実施の形態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19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。
Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, a display having a configuration in which a laser is used as a light source to scan a light valve in a one-dimensional array has been described. However, as shown in FIG. 19, a two-dimensionally arranged optical switching device. It is also possible to adopt a configuration in which light is emitted from the white light source 207 to 206 and an image is displayed on the projection screen 208.

【0080】また、上記実施の形態では、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20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。
In the above embodiment, an example of using a glass substrate as the substrate has been described, but as shown in FIG. 20, for example, a flexible substrate 209 having a thickness of 2 mm or less is used. A paper-like display may be used so that the image can be viewed directly.

【0081】また、上記実施の形態では、RGB各色の
光源を用いるようにしたが、カラーフィルターを用いて
カラー表示を行うようにしてもよい。その場合には、図
21に示したように、基板110の一方の面110Aに
上記光学多層構造体を用いた光スイッチング素子100
を配設し、他方の面110Bにカラーフィルター120
R,120G,120Bを形成するようにすることがで
きる。また、この基板110の他方の面110Bに、反
射防止膜130を設けることも可能である。
Further, in the above-mentioned embodiment, the light source of each color of RGB is used, but color display may be performed by using a color filter. In that case, as shown in FIG. 21, the optical switching element 100 using the above optical multilayer structure on one surface 110A of the substrate 110.
And the color filter 120 on the other surface 110B.
R, 120G, and 120B can be formed. Further, it is possible to provide the antireflection film 130 on the other surface 110B of the substrate 110.

【0082】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。
Further, in the above 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 is used to draw an image on a photosensitive drum and other than the display. It is also possible to apply to various devices such as optical printers.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1ないし請
求項23のいずれか1項に記載の光学多層構造体および
請求項24記載の光スイッチング素子によれば、基板側
からの入射光に変調をかけるようにしたので、基板自体
が光学多層構造体の透明保護基板を兼ねることができる
ようになる。したがって、基板側(光が入射する側)に
別の透明保護基板を配置する必要がなくなり、反射界面
が少なくて済む。さらに、この光学多層構造体または光
スイッチング素子を用いて画像表示装置を形成する場合
には、基板の他方の面にカラーフィルターなどを直接作
り込むことができ、カラーフィルターを形成した透明保
護基板を別部品として用意する必要がなくなる。また、
光学多層構造体の第2の層側の保護部材は、光が入射し
ないので透明基板である必要はなく、不透明な材料、例
えば安価な金属板などでもよく、どのようなものを配置
してもよい。
As described above, according to the optical multilayer structure according to any one of claims 1 to 23 and the optical switching element according to claim 24, the incident light from the substrate side is prevented. Since the modulation is applied, the substrate itself can also serve as the transparent protective substrate of the optical multilayer structure. Therefore, it is not necessary to dispose another transparent protective substrate on the substrate side (the side on which light is incident), and the number of reflective interfaces can be reduced. Furthermore, in the case of forming an image display device using this optical multilayer structure or an optical switching element, a color filter or the like can be directly formed on the other surface of the substrate, and a transparent protective substrate having a color filter is formed. There is no need to prepare it as a separate part. Also,
The protection member on the second layer side of the optical multilayer structure does not need to be a transparent substrate because light does not enter, and an opaque material such as an inexpensive metal plate may be used, and any protection material may be arranged. Good.

【0084】しかも、構成が簡単であるので、GLVな
どの回折格子構造やDMDなどの複雑な3次元構造より
も容易に作製することができる。また、GLVは1つの
ピクセルに6本の格子状のリボンが必要であるが、上記
の光学多層構造体では1本で済むので、構成が簡単であ
り、かつ小さく作製することが可能である。また、間隙
部をなくして基板上に第1の層、第2の層および第3の
層をこの順で接する構造とすることにより、反射防止膜
として利用することができる。
Moreover, since the structure is simple, it can be manufactured more easily than a diffraction grating structure such as GLV or a complicated three-dimensional structure such as DMD. Further, the GLV requires six lattice-shaped ribbons for each pixel, but only one is required for the above optical multi-layer structure, so the structure is simple and can be made small. Further, by forming the structure in which the first layer, the second layer and the third layer are in contact with each other in this order on the substrate without the gap portion, it can be used as an antireflection film.

【0085】更に、上記の光学多層構造体は、間隙部を
金属薄膜や反射層で挟んだ構造の狭帯域透過フィルタ、
すなわちファブリーペロータイプのものとは本質的に異
なるものであるため、低反射帯の帯域幅を広くすること
ができる。よって、製作時の膜厚管理のマージンを比較
的広くとることが可能であり、設計の自由度が増す。
Further, the above-mentioned optical multilayer structure is a narrow band transmission filter having a structure in which the gap is sandwiched by a metal thin film or a reflection layer,
That is, since it is essentially different from the Fabry-Perot type, the bandwidth of the low reflection band can be widened. Therefore, it is possible to take a relatively wide margin of the film thickness control at the time of manufacturing, and the degree of freedom in design is increased.

【0086】特に、請求項5記載の光学多層構造体によ
れば、第3の層は光を透過しない程度の厚さを有するの
で、低反射時において入射光は第3の層に吸収され、迷
光などが発生する心配はなくなる。
In particular, according to the optical multilayer structure of the fifth aspect, since the third layer has a thickness that does not transmit light, incident light is absorbed by the third layer during low reflection, There is no need to worry about stray light.

【0087】また、特に、請求項6記載の光学多層構造
体によれば、基板の屈折率をnS 、第1の層の屈折率を
1 、第2の層の複素屈折率をN2 (=n2 −i・
2 、n 2 は屈折率、k2 は消衰係数、iは虚数単
位)、第3の層の複素屈折率をN3 (=n3 −i・
3 、n3 は屈折率、k3 は消衰係数、iは虚数単
位))とするとき、これらが特定の条件を満たすように
構成したので、間隙部の大きさを変化させることによ
り、入射した光の反射、透過若しくは吸収の量を変化さ
せることができ、簡単な構成で、特に例えば550nm
などの可視光領域においても、低反射時の反射率を殆ど
0、高反射時の反射率を70%以上とすることができ
る。したがって、1000対1程度の高コントラストの
ディスプレイを実現可能である。さらに、第2の層およ
び第3の層の複素屈折率N2 ,N3 はある条件を満足す
る値であれば良いため、材料の選択の自由度が広くな
る。
Further, in particular, the optical multilayer structure according to claim 6.
According to the body, the refractive index of the substrate is nS, The refractive index of the first layer
n1, The complex refractive index of the second layer is N2(= N2-I
k2, N 2Is the refractive index, k2Is the extinction coefficient, i is the imaginary unit
The complex refractive index of the third layer is N3(= N3-I
k3, N3Is the refractive index, k3Is the extinction coefficient, i is the imaginary unit
Rank)) so that they meet certain conditions
Since it was configured, by changing the size of the gap
Change the amount of reflection, transmission or absorption of incident light.
Is possible and has a simple structure, particularly, for example, 550 nm
Even in the visible light range such as
0, the reflectance at high reflection can be 70% or more
It Therefore, a high contrast of about 1000: 1
A display is feasible. In addition, the second layer and
And the complex refractive index N of the third layer2, N3Satisfies certain conditions
Therefore, the flexibility of material selection is wide.
It

【0088】特に、請求項7記載の光学多層構造体によ
れば、第2の層の光学的特性を第3の層の光学的特性に
等しくして第2の層を省略しているので、構造や製造プ
ロセスをより簡単にすることができる。
Particularly, according to the optical multilayer structure of the seventh aspect, since the optical characteristics of the second layer are made equal to the optical characteristics of the third layer and the second layer is omitted, The structure and manufacturing process can be simplified.

【0089】加えて、特に、請求項9記載の光学多層構
造体によれば、間隙部の光学的な大きさをλ/4の奇数
倍とλ/4の偶数倍との間で2値的あるいは連続的に変
化させるようにしたので、可動部分の移動範囲も高々
「λ/2」となり、10nsレベルの高速応答が可能に
なる。よって、ディスプレイ用途のライトバルブとして
用いる場合には、1次元アレイの簡単な構成で実現する
ことができる。
In addition, in particular, according to the optical multilayer structure of the ninth aspect, the optical size of the gap portion is binary between an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4. Alternatively, since it is changed continuously, the moving range of the movable part is at most "λ / 2", and high-speed response of 10 ns level becomes possible. Therefore, when used as a light valve for a display application, it can be realized with a simple structure of a one-dimensional array.

【0090】また、請求項25ないし請求項27のいず
れか1項に記載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次元または2次元に配列し、この1
次元または2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。
According to the image display device of any one of claims 25 to 27, the optical switching elements of the present invention are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
Since an image is displayed by using an optical switching device having a two-dimensional or two-dimensional array structure, it is possible to perform a high-contrast display and to obtain characteristics at a position where light is vertically incident on the device. Therefore, when assembling the optical system, it is not necessary to consider polarization etc.,
The configuration is simple.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一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。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration when a gap portion of an optical multilayer structure according to an embodiment of the present invention is “λ / 4”.

【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。
FIG. 2 shows a gap of “0” in the optical multilayer structure shown in FIG.
It is sectional drawing showing the structure at the time of.

【図3】図1に示した光学多層構造体を、入射媒質であ
る基板を点線で表し、第1の層を最上層、第3の層を最
下層として、図1とは逆の順序で示した断面図である。
3 shows the optical multilayer structure shown in FIG. 1 in which the substrate as an incident medium is indicated by a dotted line, the first layer is the uppermost layer, and the third layer is the lowermost layer, in the reverse order of FIG. It is the sectional view shown.

【図4】図2に示した光学多層構造体を、入射媒質であ
る基板を点線で表し、第1の層を最上層、第3の層を最
下層として、図2とは逆の順序で示した断面図である。
4 shows the optical multilayer structure shown in FIG. 2 in which the substrate as an incident medium is indicated by a dotted line, the first layer is the uppermost layer, and the third layer is the lowermost layer, in the reverse order of FIG. It is the sectional view shown.

【図5】光学アドミッタンスダイアグラム上で、n1
屈折率を持つ透明な第1の層が、ダイアグラム上の(n
S ,0)の点 (基板の光学アドミッタンス) を通る軌跡
を表す図である。
FIG. 5 shows an optical admittance diagram where a transparent first layer having a refractive index of n 1 is (n
It is a figure showing the locus | trajectory which passes along the point of ( S , 0) (optical admittance of a board | substrate).

【図6】図1の光学多層構造体の変形例を表す図であ
る。
FIG. 6 is a view showing a modified example of the optical multilayer structure of FIG.

【図7】図1に示した光学多層構造体において基板をS
iO2 、第1の層をTiO2 により形成した場合の第1
の層の光学アドミッタンスダイアグラムと、の各種材料
の光学アドミッタンスとを合わせて示す図である。
FIG. 7 is a plan view showing the substrate in the optical multilayer structure shown in FIG.
iO 2 , the first when the first layer is formed of TiO 2
It is a figure which shows together the optical admittance diagram of the layer of, and the optical admittance of various materials of.

【図8】表1に示した構成例について、第3の層のカー
ボン層の膜厚を100nm、300nmおよび十分に厚
い場合に変化させた場合のそれぞれについて低反射時の
反射特性を表す図である。
FIG. 8 is a diagram showing reflection characteristics at the time of low reflection when the film thickness of the carbon layer of the third layer is changed to 100 nm, 300 nm and sufficiently thick in the configuration example shown in Table 1. is there.

【図9】表1に示した構成例の反射特性を表す図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing the reflection characteristics of the configuration example shown in Table 1.

【図10】図9の例の低反射時の光学アドミッタンスを
表す図である。
10 is a diagram showing optical admittance during low reflection in the example of FIG.

【図11】図9の例の高反射時の光学アドミッタンスを
表す図である。
11 is a diagram illustrating optical admittance during high reflection in the example of FIG.

【図12】表2に示した構成例の反射特性を表す図であ
る。
FIG. 12 is a diagram showing reflection characteristics of the configuration example shown in Table 2.

【図13】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。
FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining a method of driving an optical multilayer structure by static electricity.

【図14】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。
FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining another driving method of the optical multilayer structure by static electricity.

【図15】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。
FIG. 15 is a cross-sectional view for explaining still another driving method of the optical multilayer structure by static electricity.

【図16】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。
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining a magnetic driving method of an optical multilayer structure.

【図17】光スイッチング装置の一例の構成を表す図で
ある。
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an example of an optical switching device.

【図18】ディスプレイの一例の構成を表す図である。FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration of an example of a display.

【図19】ディスプレイの他の例を表す図である。FIG. 19 is a diagram illustrating another example of the display.

【図20】ペーパー状ディスプレイの構成図である。FIG. 20 is a configuration diagram of a paper-like display.

【図21】ディスプレイのさらに他の例を表す図であ
る。
FIG. 21 is a diagram illustrating still another example of the display.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…光学多層構造体、10,110…基板、11…第1
の層、12,112…間隙部、13…第2の層、14…
第2の層、100…光スイッチング装置
1 ... Optical multilayer structure, 10, 110 ... Substrate, 11 ... First
Layer, 12, 112 ... gap part, 13 ... second layer, 14 ...
Second layer, 100 ... Optical switching device

Claims (27)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入射媒質を兼ねる基板の一方の面に、透
明な第1の層、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2の層および光
の吸収のある第3の層を配設した構造を有し、前記基板
側から入射した光を変調することを特徴とする光学多層
構造体。
1. A transparent first layer, a gap having a size capable of causing a light interference phenomenon and having a variable size, a second layer, and a light on one surface of a substrate also serving as an incident medium. 2. An optical multi-layered structure having a structure in which a third layer having absorption is arranged, and modulating light incident from the substrate side.
【請求項2】 前記基板の一方の面に、前記第1の層、
前記間隙部、前記第2の層および前記第3の層が、この
順で配設されていることを特徴とする請求項1記載の光
学多層構造体。
2. The first layer on one surface of the substrate,
The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the gap portion, the second layer, and the third layer are arranged in this order.
【請求項3】 前記基板が、透明材料からなることを特
徴とする請求項1記載の光学多層構造体。
3. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the substrate is made of a transparent material.
【請求項4】 前記第2の層が、光の吸収のある材料か
らなることを特徴とする請求項1記載の光学多層構造
体。
4. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the second layer is made of a material that absorbs light.
【請求項5】 前記第3の層が、光を透過しない程度の
厚さを有することを特徴とする請求項1記載の光学多層
構造体。
5. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the third layer has a thickness that does not transmit light.
【請求項6】 前記基板の屈折率をnS 、前記第1の層
の屈折率をn1 、前記第2の層の複素屈折率をN2 (=
2 −i・k2 ,n2 は屈折率,k2 は消衰係数,iは
虚数単位)、前記第3の層の複素屈折率をN3 (=n3
−i・k3 ,n3 は屈折率,k3 は消衰係数,iは虚数
単位)としたとき、次式(1)の関係を満たす 【数1】 ことを特徴とする請求項1記載の光学多層構造体。
6. The refractive index of the substrate is n S , the refractive index of the first layer is n 1 , and the complex refractive index of the second layer is N 2 (=
n 2 −i · k 2 and n 2 are refractive indices, k 2 is an extinction coefficient, i is an imaginary unit), and the complex refractive index of the third layer is N 3 (= n 3).
-I · k 3 , n 3 is the refractive index, k 3 is the extinction coefficient, and i is the imaginary unit), the relationship of the following equation (1) is satisfied. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein:
【請求項7】 前記第2の層の光学的特性を前記第3の
層の光学的特性に等しくして前記第2の層を省略してい
ることを特徴とする請求項1記載の光学多層構造体。
7. The optical multilayer according to claim 1, wherein the optical properties of the second layer are made equal to the optical properties of the third layer, and the second layer is omitted. Structure.
【請求項8】 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、前記駆動手段によって前記間隙部の
大きさを変化させることにより、入射した光の反射、透
過若しくは吸収の量を変化させることを特徴とする請求
項1記載の光学多層構造体。
8. An amount of reflection, transmission, or absorption of incident light is provided by having a driving unit that changes the optical size of the gap, and changing the size of the gap by the driving unit. The optical multi-layer structure according to claim 1, wherein
【請求項9】 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
ことで、入射光の反射、透過若しくは吸収の量を2値的
あるいは連続的に変化させることを特徴とする請求項8
記載の光学多層構造体。
9. The optical size of the gap is set to an odd multiple of λ / 4 and an even multiple of λ / 4 (0
The amount of reflection, transmission or absorption of incident light is changed in a binary manner or continuously by changing it in a binary manner or in a continuous manner.
The optical multilayer structure described.
【請求項10】 前記第1の層の光学的厚さが、λ/4
(λは入射光の設計波長)以下であることを特徴とする
請求項1記載の光学多層構造体。
10. The optical thickness of the first layer is λ / 4.
The optical multilayer structure according to claim 1, wherein (λ is a design wavelength of incident light) or less.
【請求項11】 前記第1の層,前記第2の層および前
記第3の層のうちの少なくとも一つは、互いに光学的特
性の異なる2以上の層により構成された複合層であるこ
とを特徴とする請求項1記載の光学多層構造体。
11. At least one of the first layer, the second layer, and the third layer is a composite layer composed of two or more layers having different optical characteristics from each other. The optical multilayer structure according to claim 1, which is characterized in that.
【請求項12】 前記基板および前記第1の層のうちの
少なくとも一方と、前記第2の層および前記第3の層の
うちの少なくとも一方とが、少なくとも一部に透明導電
膜を含み、 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ことを特徴とする請求項8記載
の光学多層構造体。
12. At least one of the substrate and the first layer and at least one of the second layer and the third layer includes a transparent conductive film in at least a part thereof, 9. The optical multilayer structure according to claim 8, wherein the driving means changes the optical size of the gap portion by an electrostatic force generated by applying a voltage to the transparent conductive film.
【請求項13】 前記透明導電膜は、ITO,SnO2
およびZnOのうちのいずれかからなることを特徴とす
る請求項12記載の光学多層構造体。
13. The transparent conductive film is made of ITO, SnO 2
13. The optical multilayer structure according to claim 12, wherein the optical multi-layer structure comprises any one of ZnO and ZnO.
【請求項14】 前記基板が、酸化ケイ素,ガラスおよ
びプラスチックのうちのいずれかからなることを特徴と
する請求項1記載の光学多層構造体。
14. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the substrate is made of any one of silicon oxide, glass and plastic.
【請求項15】 前記第1の層が、酸化物および窒化物
のうちのいずれかからなることを特徴とする請求項1記
載の光学多層構造体。
15. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the first layer is made of any one of oxide and nitride.
【請求項16】 前記第1の層が、窒化ケイ素、窒化ア
ルミニウム、酸化チタン、酸化ニオブおよび酸化タンタ
ルのうちいずれかからなることを特徴とする請求項15
記載の光学多層構造体。
16. The first layer is made of any one of silicon nitride, aluminum nitride, titanium oxide, niobium oxide and tantalum oxide.
The optical multilayer structure described.
【請求項17】 前記第2の層が、金属,酸化金属,窒
化金属,炭化物および半導体のうちいずれかからなるこ
とを特徴とする請求項1記載の光学多層構造体。
17. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the second layer is made of any one of metal, metal oxide, metal nitride, carbide and semiconductor.
【請求項18】 前記第3の層が、金属,酸化金属,窒
化金属,カーボン(C),グラファイト,炭化物および
半導体のうちいずれかからなることを特徴とする請求項
1記載の光学多層構造体。
18. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the third layer is made of any one of metal, metal oxide, metal nitride, carbon (C), graphite, carbide and semiconductor. .
【請求項19】 前記基板が、酸化ケイ素,ガラスおよ
びプラスチックのうちいずれかからなり、 前記第1の層が、酸化チタンからなり、 前記第2の層が、タングステン,ゲルマニウム,タンタ
ルおよびチタンのうちいずれかからなり、 前記第3の層が、カーボンからなることを特徴とする請
求項1記載の光学多層構造体。
19. The substrate is made of any one of silicon oxide, glass and plastic, the first layer is made of titanium oxide, and the second layer is made of tungsten, germanium, tantalum or titanium. The optical multi-layer structure according to claim 1, wherein the third layer is made of any one of carbon and carbon.
【請求項20】 前記基板が、酸化ケイ素,ガラスおよ
びプラスチックのうちいずれかからなり、 前記第1の層が、酸化チタンからなり、 前記第2の層が省略されており、 前記第3の層がシリコン(Si)からなることを特徴と
する請求項1記載の光学多層構造体。
20. The substrate is made of any one of silicon oxide, glass and plastic, the first layer is made of titanium oxide, the second layer is omitted, and the third layer is formed. The optical multi-layer structure according to claim 1, wherein is made of silicon (Si).
【請求項21】 前記間隙部は、空気、または透明な気
体若しくは液体で満たされていることを特徴とする請求
項1記載の光学多層構造体。
21. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the gap is filled with air or a transparent gas or liquid.
【請求項22】 前記間隙部は、真空状態であることを
特徴とする請求項1記載の光学多層構造体。
22. The optical multilayer structure according to claim 1, wherein the gap is in a vacuum state.
【請求項23】 前記駆動手段は、磁力を用いて前記間
隙部の光学的な大きさを変化させるものであることを特
徴とする請求項8記載の光学多層構造体。
23. The optical multi-layer structure according to claim 8, wherein the driving means changes the optical size of the gap portion by using magnetic force.
【請求項24】 入射媒質を兼ねる基板の一方の面に、
透明な第1の層、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2の層および
光の吸収のある第3の層を配設した構造を有し、前記基
板側から入射した光を変調する光学多層構造体と、 前記間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手
段とを備えたことを特徴とする光スイッチング素子。
24. On one surface of a substrate which also serves as an incident medium,
It has a structure in which a transparent first layer, a gap having a size capable of causing a light interference phenomenon and having a variable size, a second layer and a third layer having a light absorption are arranged. An optical switching element comprising: an optical multilayer structure that modulates light incident from the substrate side; and a driving unit that changes an optical size of the gap.
【請求項25】 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が、 入射媒質を兼ねる基板の一方の面に、透明な第1の層、
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2の層および光の吸収のある第
3の層を配設した構造を有し、前記基板側から入射した
光を変調する光学多層構造体と、 前記間隙部の光学的な大きさを変化させるための駆動手
段とを備えたことを特徴とする画像表示装置。
25. An image display device for displaying a two-dimensional image by irradiating a plurality of one-dimensionally or two-dimensionally arranged optical switching elements with light, wherein the optical switching elements also serve as an incident medium. On one side of the transparent first layer,
It has a structure in which a gap having a size capable of causing a light interference phenomenon and having a variable size, a second layer and a third layer having a light absorption are arranged, and the light is incident from the substrate side. An image display device, comprising: an optical multi-layer structure for modulating light; and a driving unit for changing the optical size of the gap.
【請求項26】 前記基板の他方の面に、反射防止膜を
有することを特徴とする請求項25記載の画像表示装
置。
26. The image display device according to claim 25, further comprising an antireflection film on the other surface of the substrate.
【請求項27】 前記基板の他方の面に、カラーフィル
ターを有することを特徴とする請求項25記載の画像表
示装置。
27. The image display device according to claim 25, further comprising a color filter on the other surface of the substrate.
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