JP2004309782A - 光変調素子、光変調素子を備えた光変調素子アレイ及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答速度が高速で、ＲＧＢの各色の波長を選択して光を変調することが可能な光変調素子、この光変調素子を有する光変調素子アレイ、及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光変調素子は、光を反射する反射面をそれぞれ有する複数の薄膜と、前記複数の可動膜を固定する基板と、前記複数の薄膜に電圧を印加することにより前記可動膜を変位させる駆動手段とを有する。前記駆動手段は、前記薄膜を選択的に変位させることにより、前記複数の薄膜の前記反射面に入射する入射光の波長に応じて、前記入射光を選択的に回折させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）である光変調素子、光変調素子アレイ及び画像表示装置に係り、特に光変調素子上に入射する入射光を波長に応じて選択的に回折させる光変調素子、並びにこの光変調素子を用いた光変調素子アレイ及び画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、透過型、反射型の画像表示装置用素子として、高速応答が可能であり、フルカラー表示に対応できる光スイッチング素子の開発が要望されている。従来の光スイッチング素子としては、液晶素子や、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であるマイクロミラー素子または回折格子を用いたもの等が知られている。
【０００３】
例えば、回折格子型の光変調器としては、光を供給するための光源と、光源からの光を回折させる複数の回折格子が並列に並べられた回折格子アレイと、回折格子アレイによって回折した１次の回折光を受ける画像光学系とを有している（特許文献１参照）
【０００４】
また、基板の上に赤色、緑色、青色表示用の光学多層構造体を備えたＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）である光スイッチング素子も提案されている。この光スイッチング素子は、光学多層構造体と基板との間の間隙の大きさを各色毎に変化させることにより、入射光の反射、透過または吸収の量を変化させて、カラー表示を行うものである（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２９６４８２（第５〜６頁、図５，図６）
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−３２８３１３（第８〜１０頁、図１，図２）
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、液晶素子を用いた光スイッチング素子においては、液晶の応答速度が数ミリ秒程度と遅く、動画を表示するために十分な高速応答性を実現することが困難である。したがって、この光スイッチング素子を用いて、動画等を表示させると、画像の輪郭がぼやけてしまい、映像に残像感が残ってしまう。また、カラー表示を行うためには、カラーフィルタを用いなければならないため、光の利用効率が低下してしまい、十分な光量を発する画像表示装置を得ることが難しくなってしまう。
【０００８】
また、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であるマイクロミラーを用いた光スイッチング素子においては、マイクロミラーの応答速度が数マイクロ秒であるため、動画を表示するためには十分な応答性を有していない。実際には、コントラストの向上のため、光を偏向できる角度を増大させる必要があるため、さらに応答速度が低下してしまう。
【０００９】
また、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）である回折格子を用いた光スイッチング素子においては、回折格子の応答速度は、数ナノ秒程度であるため、動画表示に用いるスイッチング素子としては十分高速な応答性を有している。しかしながら、実際に光を回折するためには、少なくとも２本のリボン状ミラーが必要であり、また光の利用効率を高めるためには４本のリボン状ミラーが、更に現状では６本のリボン状ミラーが必要であるため、１次元または２次元配列にして用いた場合には、小型化が困難になってしまう。さらに、カラー表示を行うためには、各素子の各色毎に６本のリボン状ミラーが必要となってしまい、設計が複雑となるとともに小型化が困難となってしまい、さらに解像度も低下してしまう。
【００１０】
また、先行特許文献２に記載の光変調素子は、梁を基板に対し垂直に変位させるものであるが、その変位量（隙間）が波長の１／４である場合に入射光と反射光が強く干渉して互いに打ち消しあうことにより、光変調素子から出射する光をＯＦＦするものである。そのため、先行特許文献２に記載の光変調素子は、波長に応じて梁の変位量（隙間）を高精度で制御する必要があるが、梁の変位量を正確に制御させる構造の作成は難しく、またコストがかかるという問題もある。
【００１１】
本発明は、応答速度が高速で、ＲＧＢの各色の波長を選択して光を変調することが可能な光変調素子、この光変調素子を有する光変調素子アレイ、及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の光変調素子は、光を反射する反射面をそれぞれ有する複数の薄膜と、前記複数の薄膜を固定する基板と、前記複数の薄膜に電圧を印加することにより前記薄膜を変位させる駆動手段と、を有し、前記駆動手段は、前記複数の薄膜を波長選択的に変位させることにより、前記複数の薄膜の前記反射面に入射する入射光の波長に応じて、前記入射光を選択的に回折させることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項１記載の光変調素子によれば、複数の薄膜を選択的に変位させることにより、波長に応じて入射光を選択的に回折させることが可能である。したがって、一つの素子を用いて、複数の波長を持つ光を選択的に回折させることができるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子を提供することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の請求項２記載の光変調素子によれば、前記複数の薄膜は、それぞれ前記駆動手段によって変位する可動部と、前記可動部の両端に連接され、前記基板上に固定された固定部とを有する。
【００１５】
したがって、本発明の請求項２記載の光変調素子によれば、前記薄膜は、固定部にて両端を支持された状態で可動部を確実に変位させることが可能となる。また前記薄膜は、動作変位量が小さいため高速応答性が非常に高い。したがって、例えば、画像表示装置等に適用した場合には、消費電力を低く保ちつつ、動画等の表示に十分な高い応答性を有する画像表示装置を構成することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の請求項３記載の光変調素子によれば、前記複数の薄膜は、それぞれ前記基板上に長手方向が平行に設けられた回折格子である。
【００１７】
したがって、請求項３記載の光変調素子は、複数の薄膜が平行に並べられた回折格子として機能することが可能となる。
【００１８】
また、本発明の請求項４記載の光変調素子によれば、前記駆動手段は、前記複数の薄膜の前記可動部の変位量を互いに同程度に変位させることを特徴とする請求項２または３記載の光変調素子。
【００１９】
本発明の請求項４記載の光変調素子は、薄膜の変位量に依存することなく光を回折するため、薄膜毎の精密な変位量制御を行う必要が無く、また薄膜毎に変位量を異ならせたりする必要がないため、各可動部の変位量は同程度でよい。したがって、容易に光変調素子を作成することが可能である。
【００２０】
また、本発明の請求項５記載の光変調素子によれば、前記駆動手段は、前記複数の薄膜が所定周期の配列となるように波長選択的に前記薄膜を変位させ、回折することで前記入射光を選択する。
【００２１】
したがって、本発明の請求項５記載の光変調素子によれば、所定の周期配列に応じて、入射光を適宜回折することができ、これにより、回折すべき入射光を選択することが可能となる。
【００２２】
また、本発明の請求項６記載の光変調素子によれば、前記所定周期の配列は、複数の周期配列を含む。
【００２３】
したがって、本発明の請求項６記載の光変調素子によれば、複数の波長に関し、入射光を適宜回折することができ、これにより、回折すべき入射光を選択することが可能となる。
【００２４】
また、本発明の請求項７記載の光変調素子によれば、前記複数の周期配列は、赤色光、緑色光、青色光に対応する光をそれぞれ回折させる周期配列である。
【００２５】
したがって、本発明の請求項７記載の光変調素子によれば、ＲＧＢの３色に対応した光をそれぞれ選択的に回折することが可能である。よって、本光変調素子を、画像表示装置などに好適に適用することができる。
【００２６】
また、本発明の請求項８記載の光変調素子によれば、前記３つの周期配列は、配列周期が５：６：７の比である。
【００２７】
したがって、本発明の請求項８記載の光変調素子によれば、波長４５０ｎｍの青色光、波長５４０ｎｍの緑色光、および波長６３０ｎｍの赤色光を選択的に回折することが可能である。
【００２８】
また、本発明の請求項９記載の光変調素子アレイは、請求項１乃至７のいずれかに記載の光変調素子を複数個平面上に配列したものである。
【００２９】
すなわち、本発明の請求項９記載の光変調素子アレイは、１次元または２次元的に配列されている。したがって、この光変調素子アレイは、個々の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択することが可能となる。
【００３０】
また、本発明の請求項１０記載の画像表示装置は、赤色波長、緑色波長および青色波長を有する光を順次出射する光出力部と、画像信号に応じて、前記光出力部から出射した前記光を選択的に回折する請求項８記載の光変調素子アレイと、前記光変調素子アレイから出射した回折光を投影面に向けて結像する投影レンズと、を備えたことを特徴とする。
【００３１】
本発明の請求項１０記載の画像表示装置によれば、光出力部から出射される赤色波長、緑色波長および青色波長を有する光を順次受け取って、それぞれ選択的に回折し、回折光を投影面に向けて投影結像することが可能である。したがって、光変調素子アレイ中の複数の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択し、投影面に投影する時分割型の画像表示装置を構成することが可能である。
【００３２】
また、本発明の請求項１０記載の画像表示装置によれば、一画素に対して一つの光変調素子アレイを用いてＲＧＢ信号を時分割して投影面に投影表示させることが可能であるため、空間分解能を損なうことなく画像表示を行うことができる。また、本発明の請求項１０記載の画像表示装置においては、一つの素子が一つの画素に対応する小型の光変調素子アレイを用いているので、高解像度でかつコンパクトな画像表示装置を実現することが可能である。
【００３３】
請求項１１記載の画像表示装置によれば、前記光出力部は、白色光を出射する光源と、赤、緑および青のカラーフィルタを有し、前記光源から出射した前記白色光が前記赤、緑および青のカラーフィルタのそれぞれを順次透過するように前記カラーフィルタを動かすフィルタ部と、有する。
【００３４】
したがって、請求項１１記載の画像表示装置によれば、コンパクトな構成を持つ光出力部によって、ＲＧＢの三色に対応した光を順次光変調素子アレイに供給することが可能である。
【００３５】
請求項１２記載の画像表示装置によれば、前記光出力部は、前記赤色波長を有する光を出射する赤色光光源と、前記緑色波長を有する光を出射する緑色光光源と、前記青色波長を有する光を出射する青色光光源と、前記赤色光源、緑色光源、および青色光源のそれぞれから順次光を出射するように、各光源を制御する光源駆動制御部と、を有する。
【００３６】
したがって、請求項１２記載の画像表示装置によれば、それぞれ波長が固定された光源を３つ用いることで、光変調素子アレイに入射する光の波長精度が高まり、確実に光を回折することが可能である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る光変調素子の実施の形態について説明する。
（第１実施形態）
以下、図１〜図９を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第１実施形態について説明する。
【００３８】
図１は本発明に係る第１実施形態の光変調素子１を示す斜視図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。また、図４、図５、及び図６は、光変調素子の可動膜を所定間隔おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【００３９】
本実施形態の光変調素子１は、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であり、図１に示すように、平板形状のガラス基板１０上に絶縁膜２０を配置し、絶縁膜２０の上に複数のリボン形状の可動膜４０が所定間隔おきに配置されて構成されている。これら複数のリボン形状の可動膜４０は、それぞれ幅が１μｍ程度の素子である。
【００４０】
複数のリボン形状の可動膜４０のそれぞれは、その長手方向の両端に設けられた固定部４１，４２を介して絶縁膜２０上に固定されている。固定部４１，４２間には、平板形状のリボンミラー部４３が傾斜部４４，４５を介してそれぞれ固定部４１，４２に連接されて設けられている。このリボンミラー部４３の上面４３ａは、それぞれ入射する光を反射する反射面として構成されており、絶縁膜２０との間に所定の間隙４０ａを有して配置される構造となっている。
【００４１】
複数の可動膜４０は、長手方向がそれぞれ同一方向に向けられており、隣接しあう複数の可動膜４０同士が絶縁膜２０上で互いに平行に配列された構造とされている。ここで、複数の可動膜４０は、それぞれ幅方向に所定間隔離されて配列されている。ここで、隣接する可動膜４０間の設けられる間隔は、可動膜４０の幅と比べ十分に小さく、ある可動膜４０の幅方向一端から、隣接する可動膜４０の幅方向一端までの距離は、可動膜４０の幅とほぼ一致するものとする。
【００４２】
また、複数のリボン形状の可動膜４０は、それぞれ厚さ方向に、支持膜４６と、支持膜４６上に上部電極４７を積層して構成された薄膜として構成されている。支持膜４６は、ＳｉＮｘからなり、固定部４１，４２に対応する位置の支持膜４６が、絶縁膜２０上に固定されるようになっている。また、上部電極４７は、支持膜４６の上面を覆うように成膜されたＩＴＯ膜である。可動膜４０は、支持膜４６と上部電極４７とが一体となって、固定部４１，４２、リボンミラー部４３、及び傾斜部４４，４５を構成することにより、全体として薄膜のリボン状に形成されている。
【００４３】
図３に示すように、ガラス基板１０と絶縁膜２０との間であって、リボンミラー部４３の厚さ方向に対応した位置には、ＩＴＯからなる下部電極３０が埋め込まれている。下部電極３０は、絶縁膜２０によって、上方に配置された複数の可動膜４０から絶縁されている。下部電極３０には、図示せぬ電圧印加手段によって、所定の電圧が印加されるように構成されている。
【００４４】
同様に、各可動膜４０に設けられた上部電極４７には、図示せぬ電圧印加手段によって所定の電圧が独立に与えられるように構成されている。これにより、光変調素子１は、各可動膜４０とその下方に配置された下部電極３０との間にそれぞれ独立に電位差を生じさせることが可能に構成されている。各可動膜４０の上部電極４７と下部電極３０との間の電位差が所定値以上となると、可動膜４０は、両電極間に作用する静電気力によって傾斜部４４，４５とリボンミラー部４３との間において折り曲げられ、リボンミラー部４３が厚み方向に変位することにより、リボンミラー部４３が間隙４３ａの方向に移動し、絶縁膜２０上に張り付く。これにより、変位した可動部４０のリボンミラー部４３は、隣接する変位していない可動膜４０のリボンミラー部４３より下方に押し下げられた状態となる。なお、この可動膜４０は、数ナノ秒程度の応答性で上下動させることが可能である。
【００４５】
ここで、光変調素子１は、可動膜４０を所定間隔おきに変位させることにより、光変調素子１上に入射する光を、その波長に応じて選択的に所定の回折角で回折させる反射型の回折格子として機能する。ここで、光変調素子１に入射する光の波長をλ、入射角をθ_０、回折角をθ_ｍ、可動膜４０の変位周期をｄとすると、回折条件は、以下の式によって表される。
ｄ（ｓｉｎθ_ｍ−ｓｉｎθ_０）＝ｍλ ・・・（１）
ここで、ｍは回折次数であって、整数である。
【００４６】
式（１）から理解されるように、入射角θ_０および回折角θ_ｍが決定されているとすると、所定の回折方向に回折される光の波長λは、回折格子の変位周期に比例する。
【００４７】
ここで、図４は、可動膜４０を５個おきに下方に変位させるように可動膜４０の上部電極４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図５は、可動膜４０を６個おきに下方に変位させるように可動膜４０の上部電極４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図６は、可動膜４０を７個おきに下方に変位させるように可動膜４０の上部電極４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図である。
【００４８】
図４、図５及び図６に対応する状態において、それぞれ所定の入射角θ_０で入射し、回折角θ_ｍで回折する光の波長λの比は、それぞれ５：６：７となる。ここで、図４の状態において、所定の入射角θ_０で入射し、回折角θ_ｍで回折する光の波長λが４５０ｎｍ（青色光）であるとすると、図５の状態で回折角θ_ｍで回折する光の波長λは、５４０ｎｍ（緑色光）となり、図６の状態で回折角θ_ｍで回折する光の波長λは、６３０ｎｍ（赤色光）となる。
【００４９】
以上をまとめると、光変調素子１は、図４、図５及び図６の状態に対応して、それぞれ青色光、緑色光及び赤色光を所定の回折角θ_ｍで回折することができる。すなわち、本実施形態の光変調素子１は、可動膜４０を選択的に変位させることによって、可動膜４０の変位状態に応じて回折する光の波長λを変化させることにより、青色光、緑色光及び赤色光のうち所望の光を所定の回折角で回折させることが可能な光変調素子として機能する。
【００５０】
したがって、所定の入射角θ_０で波長λ＝４５０ｎｍ（青色光）、５４０ｎｍ（緑色光）、６３０ｎｍ（赤色光）が光変調素子１に入射したとき、すべての可動膜４０が変位していない場合には、光変調素子１は、どの波長λの光であってもリボンミラー部４３の上面４３ａにて入射角θ_０に対応した反射角で光を反射する。
【００５１】
一方、可動膜４０が周期的に変位している場合には、可動膜４０の変位周期に応じた波長λの光を所定の回折角θ_ｍで回折する。よって、所定の回折角θ_ｍの方向に光検出器等を配置しておくことにより、可動膜４０の変位周期に応じて波長選択を行い、選択された波長λの光のみを出力光として光検出器によって検出することが可能である。
【００５２】
光変調素子１は、基板１０上に各種層を成膜していくことにより作成することが可能である。以下、図７〜図９を参照しながら、光変調素子１の作成方法について説明を行う。
【００５３】
先ず、ガラス基板１０の表面を所定のアルカリ溶液を用いて洗浄し、その後に超純水で純水リンスを行い、溶剤やホコリを洗い流す。その後、１２０℃で１時間乾燥を行い、ガラス基板１０の洗浄を完了する（図７（ａ）参照）。
【００５４】
基板洗浄完了後、スパッタリング等により、基板１０の表面上にＩＴＯ５０を０．１５μｍ成膜し、下部電極３０成膜のための下地を作る（図７（ｂ）参照）。
【００５５】
そして、レジスト液をＩＴＯ５０に塗布し、１００℃で３０分間乾燥させる。その後、図示せぬマスクを用いて、ＩＴＯ５０上から単位面積あたり８０ｍｊの露光量で作成する下部電極３０の形状に対応したパターンで露光を行う。その後、１２０℃で１時間の間ベーキングを行った後、エッチング液を用いて、露光した部分のレジストを剥離して、所望の形状の下部電極３０をガラス基板１０上に形成する（図７（ｃ）参照）。
【００５６】
次に、下部電極３０が形成されたガラス基板１０上に、ＳｉＯ_２をスパッタリングで０．５μｍ成膜し、絶縁膜２０を形成する（図７（ｄ）参照）。
【００５７】
その後、可動膜４０成膜の下準備として、絶縁膜２０上に犠牲層としてのＡｌ膜６０をスパッタリングまたは蒸着法を用いて、０．４μｍ成膜する（図７（ｅ）参照）。
【００５８】
次に、可動膜４０と絶縁膜２０との間に形成される間隙の形状に応じた形にＡｌ膜６０をパターンニングする。ここでは、レジスト液をＡｌ膜６０上に塗布し、１００℃で３０分間乾燥させる。その後、図示せぬマスクを用いて、Ａｌ膜６０上から単位面積あたり８０ｍｊの露光量で、パターンニング形状に対応したパターン露光を行う。その後、１２０℃で１時間の間ベーキングを行った後、エッチング液を用いて、露光したレジストを剥離して、所望の形状のＡｌ膜６０を絶縁膜２０上に形成する（図８（ａ）参照）。
【００５９】
次に、Ａｌ膜６０がパターンニングされた絶縁膜７０上に、３００℃のプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘ膜７０を成膜する。このＳｉＮｘ膜７０は、可動膜４０の支持膜４６として構成されるものである。ＳｉＮｘ膜７０の厚さは、ＳｉＮｘ膜７０が可動膜４０の一部である支持膜４６となったときに内部残留応力が適切な値となり、スムーズに可動膜４０の一部として上下に可動できる程度の厚さに調整される（図８（ｂ）参照）。
【００６０】
次に、ＳｉＮｘ膜７０上にＩＴＯ８０をスパッタリングまたは常温成膜で成膜する。このＩＴＯ８０は、可動膜４０の上部電極４７として構成されるものである（図８（ｃ）参照）。
【００６１】
その後、可動膜４０の上部電極４７の形状に応じて、ＩＴＯ８０のパターンニングを行う。ここでは、レジスト液をＩＴＯ８０上に塗布し、１００℃で３０分間乾燥させた後に、図示せぬマスクを用いてＩＴＯ８０上から単位面積あたり８０ｍｊの露光量で、作成するパターンニングする形状に対応したパターン露光を行う。その後、１２０℃で１時間の間ベーキングを行った後、エッチング液を用いて、レジストを剥離して、所望の形状の上部電極４７をＳｉＮｘ膜７０上に形成する（図８（ｄ）参照）。
【００６２】
次に、可動膜４０の支持膜４６の形状に応じて、ＳｉＮｘ７０のパターンニングを行う。ここでは、パターンニングの精度が要求されるため、ドライエッチングを使用する。具体的には、ＳｉＮｘ用ドライエッチングガスとしてＣＦ_４を１００Ｗ、８０Ｐａで２分間、そしてレジスト用ガスとしてＯ_２を１００Ｗ、１００Ｐａで２分間、それぞれ照射してエッチングを行い、支持膜４６を成形する（図９（ａ）参照）。
【００６３】
次に、ＩＴＯに対してアニール処理を行い、残留応力や内部ひずみを除去し、結晶欠陥を低減させ均一化を行う。ここでは、全体を２３０℃の雰囲気下に２時間放置することにより、アニール処理が行われる（図９（ｂ）参照）。
【００６４】
そして最後に、犠牲層としてのＡｌ膜６０をＡｌ用エッチング液を用いて除去する。その後、メタノールでリンスを行い、超臨界洗浄乾燥機で２時間洗浄及び乾燥を行い、光変調素子１が完成する（図９（ｃ）参照）。
【００６５】
以上、本実施形態の光変調素子１は、それぞれ光を反射する反射面である上面４３ａを有し、互いに平行に配列された複数の可動膜４０と、絶縁膜２０を介して複数の可動膜４０のそれぞれの両端（固定部４１，４２）を固定支持する基板１０と、複数の可動膜４０に対応するように前記複数の可動膜４０の下方（基板１０と絶縁膜２０との間）に設けられ、静電気力により複数の可動膜４０を変位させる変動素子としての下部電極３０と、前記複数の可動膜４０に選択的に電圧を印加し、前記複数の可動膜４０を周期的に変位させる駆動手段と、を備えている。複数の可動膜４０は、周期的かつ選択的に変位させられることにより、前記複数の可動膜４０の上面４３ａに入射する入射光を前記入射光の波長λに応じて選択的に回折させる。
【００６６】
したがって、本実施形態の光変調素子１によれば、複数の可動膜４０を選択的に変位させることにより、入射光を波長λに応じて選択的に回折させることが可能である。すなわち、入射光の波長λに応じた周期で複数の可動膜４０を選択的に変位させておくことにより、所定の波長λを有する光のみを所定の回折角θ_ｍで回折することができる。よって、光変調素子１を用いることにより、複数の波長λを持つ光を回折させて、選択的に光を取り出すことが可能となる。また、一つの光変調素子１を用いるだけで、複数の波長選択を行うことが可能であるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子１を提供することが可能となる。
【００６７】
なお、本実施形態では、可動膜４０を１２本配設する構造としたが、これに限られることはなく、光の回折効率を高めるために、さらに多くの可動膜４０を配設するように構成してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、基板としてガラス基板１０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、プラスチック等の樹脂、金属、半導体等を用いて構成することも可能である。
【００６９】
また、本実施形態では、上部電極４７及び下部電極３０は、ＩＴＯであるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｗ等を蒸着法等により成膜し、構成してもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、犠牲層としてＡｌ膜６０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、シリコン酸化物、窒化シリコン、ポリシリコン、シリコン−ゲルマニウム合金、ポリイミド等を用いて構成してもよい。
【００７１】
また、本実施形態において、すべての可動膜４０が可動するように構成する必要はなく、可動が必要な可動膜４０にのみ電気的配線を施し、下部電極３０と上部電極４７との間に可動に必要な所定の電位差を発生可能に構成してもよい。
（第２実施形態）
以下、図１０〜図１７を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第２実施形態について説明する。
【００７２】
図１０は本発明に係る第２実施形態の光変調素子１００を示す斜視図であり、図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ矢視断面図であり、図１２は、図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視断面図である。また、図１３、図１４、及び図１５は、光変調素子の可動膜を所定間隔おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【００７３】
本実施形態の光変調素子１００は、ＭＥＭＳ素子（微小電気駆動機械式素子）であり、図１０及び図１１に示すように、断面視コの字形状のガラス基板１１０上に、複数のリボン形状の可動膜１４０が所定間隔おきに配置されて構成されたものである。これら複数のリボン形状の可動膜１４０は、それぞれ幅が１μｍ程度の素子である。
【００７４】
ガラス基板１１０は、ガラス基板１１０の中央部にその長手方向に沿って凹部１１０ａが形成されており、平板形状の基体１１０ｂ上に段部１１１，１１２がガラス基板１１０の長手方向に沿ってガラス基板１１０の幅方向端部に平行に設けられた構成となっている。
【００７５】
ガラス基板１１０の凹部１１０ａの底面１１０ｃ上には、ＩＴＯからなる下部電極１３０が成膜されている。この下部電極１３０には、図示せぬ電圧印加手段によって、所定の電圧が印加されるように構成されている。この下部電極１３０の上面には、下部電極１３０を覆うように絶縁層１２０が成膜されている。
【００７６】
ガラス基板１１０の段部１１１，１１２上には、複数のリボン形状の可動膜１４０のそれぞれが、可動膜１４０の長手方向の両端に設けられた固定部１４１，１４２を介して固定されている。これにより、複数の可動膜１４０は、その幅方向（以下、可動膜配列方向と呼ぶ）に隣り合う可動膜１４０と平行となるように配置されている。ここで、複数の可動膜１４０は、それぞれ幅方向に所定間隔離されて配列されている。ここで、隣接する可動膜４０間の設けられる間隔は、可動膜４０の幅と比べ十分に小さく、ある可動膜４０の幅方向一端から、隣接する可動膜４０の幅方向一端までの距離は、可動膜４０の幅とほぼ一致するものとする。
【００７７】
可動膜１４０において、固定部１４１，１４２間に連接された平板形状のリボンミラー部１４３は、その上面１４３ａが、それぞれ入射する光を反射する反射面として構成されており、厚み方向（ここでは、ガラス基板１１０に垂直な方向）に絶縁膜１２０との間に所定の間隙１４０ａを有して配置される構造となっている。
【００７８】
また、複数のリボン形状の可動膜１４０は、それぞれ厚さ方向に、支持膜１４６と、支持膜１４６上に上部電極１４７を積層して構成された薄膜として構成されている。支持膜１４６は、ＳｉＮｘからなり、固定部１４１，１４２に対応する位置の支持膜１４６が、段部１１１，１１２上に固定されるようになっている。また、上部電極１４７は、支持膜１４６の上面を覆うように成膜されたＩＴＯ膜である。可動膜１４０は、支持膜１４６と上部電極１４７が一体となって、固定部１４１，１４２、リボンミラー部１４３を構成し、全体として薄膜のリボン状に形成されている。
【００７９】
各可動膜１４０に設けられた上部電極１４７には、ガラス基板１１０及び支持膜１４６を厚さ方向に貫通する孔１１０ｄが形成されている。この孔１１０ｄ内には、ＡｌまたはＡｌ合金等からなる導電性の接続部１４８が埋め込まれている。この接続部１４８は、ガラス基板１１０、支持膜１４６を貫通して上部電極１４７に連接されている。
【００８０】
図示せぬ電圧印加手段は、この接続部１４８を介して上部電極１４７に所定の電圧を独立に与えるように構成されている。これにより、光変調素子１００は、各可動膜１４０と下方に配置された下部電極１３０との間にそれぞれ独立に電位差を生じさせることが可能に構成されている。各可動膜１４０の上部電極１４７と下部電極１３０間の電位差が所定値以上となると、可動膜１４０は、両電極間に作用する静電気力によって固定部１４１，１４２とリボンミラー部１４３との間において折り曲げられ、リボンミラー部１４３が厚み方向に変位することにより、リボンミラー部１４３が間隙１４０ａの方向に移動し、絶縁膜１２０上に張り付く。これにより、変位した可動部１４０のリボンミラー部１４３は、隣接する変位していない可動膜１４０のリボンミラー部１４３より下方に押し下げられた状態となる。なお、この可動膜１４０は、数ナノ秒程度の応答性で上下動させることが可能である。
【００８１】
本実施形態の光変調素子１００は、第１実施形態の光変調素子１と同様に、可動膜１４０を所定間隔おきに変位させることにより、光変調素子１００上に入射する光を、その波長λに応じて選択的に所定の回折角で回折させる反射型の回折格子として機能する。ここで、光変調素子１００に入射する光の回折条件は、前述の式（１）によって表される。
【００８２】
式（１）から理解されるように、入射角θ_０および回折角θ_ｍが決定されているとすると、所定の回折方向に回折される光の波長λは、回折格子の変位周期に比例する。
【００８３】
ここで、図１３は、可動膜１４０を５個おきに下方に変位させるように可動膜１４０の上部電極１４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図１４は、可動膜１４０を６個おきに下方に変位させるように可動膜１４０の上部電極１４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図であり、図６は、可動膜４０を７個おきに下方に変位させるように可動膜１４０の上部電極１４７に選択的に電圧を印加した状態を示す図である。
【００８４】
図１３、図１４及び図１５に対応する状態において、それぞれ所定の入射角θ_０で入射し、回折角θ_ｍで回折する光の波長λの比は、それぞれ５：６：７となる。ここで、図１３の状態において、所定の入射角θ_０で入射し、回折角θ_ｍで回折する光の波長λが４５０ｎｍ（青色光）であるとすると、図１４の状態で回折角θ_ｍで回折する光の波長λは、５４０ｎｍ（緑色光）となり、図１５の状態で回折角θ_ｍで回折する光の波長λは、６３０ｎｍ（赤色光）となる。
【００８５】
以上をまとめると、光変調素子１００は、図１３、図１４及び図１５の状態に対応して、それぞれ青色光、緑色光及び赤色光を所定の回折角θ_ｍで回折することができる。すなわち、本実施形態の光変調素子１００は、可動膜１４０を選択的に変位させることによって、可動膜１４０の変位状態に応じて回折する光の波長λを変化させることにより、青色光、緑色光及び赤色光のうち所望の光を所定の回折角で回折させることが可能な光変調素子として機能する。
【００８６】
したがって、所定の入射角θ_０で波長λ＝４５０ｎｍ（青色光）、５４０ｎｍ（緑色光）、６３０ｎｍ（赤色光）が光変調素子に入射したとき、すべての可動膜１４０が変位していない場合には、リボンミラー部１４３の上面１４３ａで、どの波長λの光であっても入射角θ_０に対応した反射角で光を反射する。
【００８７】
一方、可動膜４０が周期的に変位している場合には、可動膜１４０の変位周期に応じた波長λの光を所定の回折角θ_ｍで回折する。よって、所定の回折角θ_ｍの方向に光検出器等を配置しておくことにより、可動膜１４０の変位周期に応じて波長選択を行い、選択された波長λの光のみを出力光として光検出器によって検出することが可能である。
【００８８】
光変調素子１００は、基板１１０上に各種層を成膜していくことにより作成することが可能である。以下、図１６〜図１７を参照しながら、光変調素子１００の作成方法について説明を行う。
【００８９】
先ず、ガラス基板１１０の表面を所定のアルカリ溶液を用いて洗浄し、その後に超純水で純水リンスを行い、溶剤やホコリを洗い流す。その後、１２０℃で１時間乾燥を行い、ガラス基板１１０の洗浄を完了する（図１６（ａ）参照）。
【００９０】
ガラス基板１１０の洗浄完了後、凹部１１０ａの形成を行う。ガラス基板１１０の表面にレジスト液を塗布して乾燥させる。その後、図示せぬマスクを用いて、作成する凹部１１０ａに対応した位置に露光を行い、その後、露光したガラス基板１１０中央部をエッチングにより除去し、凹部１１０ａを形成する（図１６（ｂ））。
【００９１】
そして、蒸着法やスパッタリング等により、凹部１１０ａの底面１１０ｃ上にＩＴＯ５０を０．１５μｍ成膜し、下部電極１３０を成膜する（図１６（ｃ）参照）。
【００９２】
次に、下部電極１３０上に、ＳｉＯ_２を蒸着法やスパッタリング等により、０．５μｍ成膜し、絶縁膜１２０を形成する（図１６（ｄ）参照）。
【００９３】
その後、可動膜１４０成膜の下準備として、絶縁膜１２０上に犠牲層としてのシリコン酸化物膜１６０をスパッタリングまたは蒸着法を用いて、成膜する。この際、凹部１１０ａからはみ出して成膜された部分１６１、ならびに段部１１１及び１１２上に成膜された部分１６２（すなわち、図１６（ｅ）のａ−ａ断面より上の部分）は、研磨等により除去し、シリコン酸化物膜１６０が凹部１１０を埋めるような状態にする（図１６（ｅ）参照）。
【００９４】
次に、シリコン酸化物膜１６０及びガラス基板１１０の上面に、ＳｉＮｘ膜１７０を３００℃のプラズマＣＶＤ法を用いて成膜する。このＳｉＮｘ膜膜１７０は、可動膜１４０の支持膜１４６として構成されるものである。ＳｉＮｘ膜１７０の厚さは、ＳｉＮｘ膜７０が可動膜４０の一部である支持膜４６となったときに内部残留応力が適切な値となり、スムーズに可動膜４０の一部として上下に可動できる程度の厚さに調整される（図１７（ａ）参照）。
【００９５】
次に、ＳｉＮｘ膜１７０が成膜されたガラス基板１１０の長手方向に沿って所定間隔毎に孔１１０ｄをエッチングにより形成し、この孔１１０ｄを埋めるようにＡｌ、Ａｌ合金等からなる接続部１４８が形成される（図１７（ｂ）参照）
次に、ＳｉＮｘ膜１７０上にＩＴＯ１８０をスパッタリングまたは常温成膜で成膜する。このＩＴＯ１８０は、可動膜１４０の上部電極１４７として構成されるものである（図１７（ｃ）参照）。
【００９６】
その後、成形する可動膜１４０の形状に応じて、ＩＴＯ１８０及びＳｉＮｘ膜１７０のパターンニングを行う。ここでも、フォトリソグラフィ法を用いて、可動膜４０に対応したパターンのマスクした後、露光を行い、乾式及び湿式エッチングによりパターンを形成する。（図１７（ｄ）参照、本図は上面図）。
【００９７】
そして最後に、犠牲層としてのシリコン酸化物膜１６０を二フッ化キセノンを用いて、ドライエッチングにより除去する。メタノールでリンスを行い、超臨界洗浄乾燥機で２時間洗浄及び乾燥を行い、所定の電極毎に配線を行い光変調素子１００が完成する（図１７（ｅ）参照）。
【００９８】
以上、本実施形態の光変調素子１００は、それぞれ光を反射する反射面である上面１４３ａを有し、互いに平行に配列された複数の可動膜１４０と、絶縁膜１２０を介して複数の可動膜１４０のそれぞれの両端（固定部１４１，１４２）を固定支持する基板１１０と、複数の可動膜１４０に対応するように前記複数の可動膜１４０の下方（基板１１０と絶縁膜１２０との間）に設けられ、静電気力により複数の可動膜１４０を変位させる変動素子しての下部電極１３０と、前記複数の可動膜１４０に選択的に電圧を印加し、前記複数の可動膜１４０を周期的に変位させる駆動手段と、を備えている。複数の可動膜１４０は、周期的かつ選択的に変位させられることにより、前記複数の可動膜１４０の上面１４３ａに入射する入射光を前記入射光の波長λに応じて選択的に回折させる。
【００９９】
したがって、本実施形態の光変調素子１００によれば、複数の可動膜１４０を選択的に変位させることにより、入射光を波長λに応じて選択的に回折させることが可能である。すなわち、入射光の波長λに応じた周期で複数の可動膜１４０を選択的に変位させておくことにより、所定の波長λを有する光のみを所定の回折角θ_ｍで回折することができる。よって、光変調素子１００を用いることにより、複数の波長λを持つ光を回折させて、選択的に光を取り出すことが可能となる。また、一つの光変調素子１００を用いるだけで、複数の波長選択を行うことが可能であるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子１００を提供することが可能となる。
【０１００】
なお、本実施形態では、可動膜１４０を１２本配設する構造としたが、これに限られることはなく、光の回折効率を高めるために、さらに多くの可動膜１４０を配設するように構成してもよい。
【０１０１】
また、本実施形態では、基板としてガラス基板１１０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、プラスチック等の樹脂、金属、半導体等を用いて構成することも可能である。
【０１０２】
また、本実施形態では、上部電極１４７及び下部電極１３０は、ＩＴＯであるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｗ等を蒸着法等により成膜し、構成してもよい。
【０１０３】
また、本実施形態では、犠牲層としてシリコン酸化物膜１６０を用いるとして説明を行ったが、これに限られることはなく、窒化シリコン、ポリシリコン、シリコン−ゲルマニウム合金、ポリイミド等を用いて構成してもよい。
【０１０４】
また、本実施形態において、すべての可動膜１４０が可動するように構成する必要はなく、可動が必要な可動膜１４０にのみ電気的配線を施し、下部電極１３０と上部電極１４７との間に可動に必要な所定の電位差を発生可能に構成してもよい。
（第３実施形態）
以下、図１８〜図２１を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第３実施形態として、画像表示装置に適用された形態について説明する。
【０１０５】
図１８は、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１００が適用された画像表示装置２００を示す図である。本実施形態の画像表示装置２００は、所定の光量の光２０１を出力する光源２１０と、光源２１０から出力した光２０１を赤、青及び緑色波長の光に時分割で変換するフィルタ部２２０と、フィルタ部２２０から送られた光２０２を所定の光路に沿って反射するミラー２３０と、ミラー２３０からの光を平行光に変換するコリメータレンズ２３５と、コリメータレンズから送られる平行光２０３を選択的に出力側に出力する光変調素子アレイ２４０と、光変調素子アレイ２４０によって選択された光を投影面２５０に投影し、結像する投影レンズ２４５とを有している。
【０１０６】
光源２１０は、キセノン、メタルハライドランプ、超高圧水銀灯等の高出力ランプである。この光源２１０は、後述のフィルタ部２２０のカラーフィルタ２２３上に集光するように、高出力の白色光を出力する。
【０１０７】
図１９は、フィルタ部２２０のカラーフィルタ２２３を示す図である。フィルタ部２２０は、図１８に示すように、円盤状のカラーフィルタ２２３が回転軸２２２を介して駆動モータ２２１によって回転するように構成されたものである。カラーフィルタ２２３は、円盤中心２２３ａが回転軸２２２の軸芯と同心となるようにに取り付けられることにより、円盤中心２２３ａを回転中心として等速回転する。
【０１０８】
カラーフィルタ２２３は、円盤中心２２３ａを中心として周方向に３分割されており、それぞれの領域に赤、緑、青の各色の色フィルタ２２４，２２５，２２６が取り付けられている。光源２１０から出力した光２０１は、この各色フィルタ２２４，２２５，２２６のいずれかを通過し、赤色フィルタ２２４を通過したときは赤色光（波長：約６３０ｎｍ）が、緑色フィルタ２２５を通過したときは緑色光（波長：約５４０ｎｍ）が、青色フィルタ２２６を通過したときは青色光（波長：約４５０ｎｍ）が、透過するように構成されている。したがって、カラーフィルタ２２３からは、カラーフィルタ２２３の回転速度に応じて、所定時間毎に赤色光、緑色光、青色光が順次出力されるように構成されている。
【０１０９】
ミラー２３０は、後段に配置された光変調素子アレイ２４０に対し、カラーフィルタ２２３を出射した光２０２が所定の入射角θ_０で入射するような角度で反射する。ミラー２３０を出射した光２０２は、コリメータレンズ２３５によって、平行光２０３に変換される。この平行光２０３は、光変調素子アレイ２４０の全面にわたって同じ入射角θ_０で入射するように光変調素子アレイ２４０に送られる。
【０１１０】
図２０は、光変調素子アレイ２４０の表面を示す図であり、図２１は、光変調素子アレイ２４０上での反射光２０４及び回折光２０５の出力方向を示す図である。光変調素子アレイ２４０は、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１００が、同一平面上に複数個二次元配列されたものである。この光変調素子アレイ２４０上の各光変調素子１（１００）には、コリメータレンズ２３０から送られる平行光２０３がそれぞれ入射するように構成されている。ここで、各光変調素子１（１００）への光の入射効率を高めるために、各光変調素子１の入射面上方に、単焦点レンズをそれぞれ設けるように構成してもよい。
【０１１１】
ここで、各光変調素子１（１００）は、他の光変調素子１（１００）とは独立に、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態を制御可能に構成されている。
【０１１２】
ＯＦＦ状態とは、光変調素子１（１００）上のすべての可動膜４０（１４０）が変位していない状態を指す。このＯＦＦ状態の光変調素子１（１００）に入射した光は、図２１に示すように、光変調素子１（１００）のリボンミラー部４３の表面で反射し、入射角θ_０と等しい反射角θ_０で出力される。この反射角θ_０で反射された反射光２０４は、画像表示装置２００の出力側には送られない。
【０１１３】
一方、ＯＮ状態とは、光変調素子１（１００）上の可動膜４０（１４０）が入射する光の波長に応じて、例えば、５個、６個または７個おきに変位している状態を指す。このＯＮ状態の光変調素子１（１００）に入射した光は、同じく図２１に示すように、変位状態に応じて、光を所定の回折角θ_ｍで回折し、出力される。この回折角θ_ｍで回折した回折光２０５は、投影レンズ２４５を介して画像表示装置２００の外部に出力され、投影面２５０上に投影される。
【０１１４】
すなわち、光変調素子２４０上の各光変調素子１（１００）は、画像表示装置２００の一つの画素に対応し、その画素位置におけるＲＧＢ信号の色比率に応じた時間だけ、赤、緑、青の各色光が光変調素子１（１００）によって順次回折され、投影面２５０に投影される。これにより、画像表示装置２００は、投影面２５０上に、１フレーム分のＲＧＢ信号に応じた光を時分割表示する。投影面２５０を見るユーザの網膜には、時分割された光が順次焼き付けられ、赤、緑、青の発行時間に応じた色が表示されているとして認識する。
【０１１５】
具体例を挙げると、例えばＲＧＢ信号が、各色２５６階調で表現されている場合には、光変調素子１のＯＮ時間をそれぞれ２５６分割で制御する。より具体的な例として、ある画素におけるあるフレーム中のＲＧＢ信号の比率が（Ｒ，Ｇ，Ｂ）＝（１２８，０，６４）であった場合を考える。この場合、該当する画素に対応する位置の光変調素子１（１００）は、光変調素子１（１００）に赤色光、緑色光、青色光が順次入射するとすると、第一に入射する赤色光を入射時間の１２８／２５６の間回折し、次に入射する緑色光を入射時間の０／２５６の間回折し、最後に入射する青色光を入射時間の６４／２５６の間回折するように、ＯＮ／ＯＦＦ制御される。これにより、各色光は、上記ＯＮ時間に対応した時間だけ投影面２５０に送られ、投影面２５０上に（Ｒ，Ｇ，Ｂ）＝（１２８，０，６４）に対応した色を表現する。
【０１１６】
ここで、具体的な画像表示装置２００のパラメータとしては、光変調素子の各可動膜４０の幅が、１μｍであるとすると、赤色光、緑色光、青色光に対応する可動膜の変位周期は、それぞれ７μｍ，６μｍ，５μｍとなる。このような光変調素子アレイ２４０を用いた場合、入射角θ_０が３０゜となるようにミラー２３０を配設したときには、式（１）に基づき、回折角θ_ｍが約４０゜となるように構成することにより、回折光２０５を取り出すことが可能である。また、入射角θ_０が１０゜となるようにミラー２３０を配設したときには、式（１）に基づき、回折角θ_ｍが約２５゜となるように構成することにより、回折光２０５を取り出すことが可能である。
【０１１７】
画像表示装置２００においては、投影面２５０に投影すべき映像信号であるＲＧＢ信号は、外部入力部２６０を介して受け取られる。この外部入力部２６０で受け取ったＲＧＢ信号は、主制御部２７０に送られる。
【０１１８】
主制御部２７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部２９０に出力する。また、主制御部２７０は、光変調素子制御部２９０に送られた変調信号に対応した同期信号を回転制御部２８０に出力する。
【０１１９】
回転制御部２８０は、主制御部２７０から出力された同期信号に応じて、フィルタ部２２０の駆動モータ２２１を駆動し、カラーフィルタ２２３を等速度で回転駆動する。これにより、光源２１０を出力された白色光は、カラーフィルタ２２３に設けられた各色フィルタ２２４，２２５，２２６により波長選択され、赤色光、緑色光、青色光がカラーフィルタ２２３から所定時間ずつ順次出力される。
【０１２０】
光変調素子制御部２９０は、主制御部２７０から出力された変調信号に応じて、光変調素子アレイ２４０上の各光変調素子１（１００）の駆動制御を行う。すなわち、光変調素子制御部２９０は、光変調素子アレイ２４０上の各光変調素子１（１００）の下部電極３０（１３０）に所定電圧を印加し、上部電極４７（１４７）に選択的に電圧を印加することにより、下部電極３０（１３０）と上部電極４７（１４７）との間に所定の電位差を生じさせ、可動膜４０（１４０）を選択的に変位させる。
【０１２１】
具体的には、光変調素子制御部２９０は、主制御部２７０から出力された変調信号に応じて、コリメータレンズ２３５側から送られてくる平行光２０３とされて順次送られる赤色光、緑色光、青色光を光変調素子アレイ２４０が所定の色および強度に応じた色信号を投影面２５０に投影するように、光変調素子２４０の各光変調素子１（１００）を駆動する。これにより、光変調素子制御部２９０は光変調素子アレイ２４０に順次入射する赤色光、緑色光、青色光のそれぞれを変調信号に応じた時間だけ、回折させ投影面２５０に出力するように制御することにより、画像を時分割的に投影面２５０に投影表示する。
【０１２２】
以上、本実施形態の画像表示装置２００は、ＲＧＢの各色に対応した光を、順次光変調素子アレイ２４０上に送出し、光変調素子アレイ２４０の各光変調素子１（１００）を映像信号であるＲＧＢ信号に対応して駆動することにより投影面２５０に画像（映像）を表示する。すなわち、光変調素子アレイ２４０の各光変調素子１（１００）は、画像表示装置２００が出力する画像（映像）の一つの画素に対応し、その画素位置におけるＲＧＢ信号の色比率に応じた時間だけ、赤、緑、青の各色光が光変調素子１（１００）によって順次回折され、投影面２５０に投影される。
【０１２３】
したがって、本実施形態によれば、各画素毎に単一の光変調素子１（１００）を設けることにより、画像を時分割で表示することが可能な画像表示装置２００を提供することが可能となる。この画像表示装置２００は、各画素毎に単一の光変調素子のみで画像表示を行うため、各画素毎にＲＧＢにそれぞれ対応した３つの光変調素子を設けるタイプと比べ、設置面積を減らすことが可能となり、従来に比べ光変調素子アレイの小型化を図ることが可能となる。
【０１２４】
また、本実施形態の画像表示装置２００によれば、光変調素子アレイ２４０を用いてＲＧＢ信号を時分割して投影面２５０に投影表示させるため、空間分解能を損なうことなく画像表示を行うことが可能となる。したがって、高い空間解像度を有する画像を容易に表現可能な画像表示装置を提供することが可能となる。
【０１２５】
また、本実施形態によれば、動作変位量が小さく且つ高速応答性の高い可動膜４０を用いて構成された光変調素子１（１００）を有する光変調素子アレイ２４０が用いられている。したがって、消費電力を低く保ちつつ、画像表示に十分な高い応答性を有する画像表示装置２００を構成することが可能となる。
【０１２６】
なお、本実施形態では、主制御部２７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部２９０に出力するとしたが、これに限られず、画像表示装置２００の外部で時分割表示用の変調信号が作成され、外部入力部２６０が受け取る信号が最初から時分割表示用の変調信号であってもよい。
【０１２７】
また、本実施形態では、出力されて投影される光は、回折光であるとしたが、これに限られず、各光変調素子１（１００）がＯＦＦ状態のときの反射光２０４を外部に取り出すように構成してもよい。
【０１２８】
（第４実施形態）
以下、図２２を参照しながら、本発明に係る光変調素子の第４実施形態として画像表示装置に適用された形態について説明する。
【０１２９】
図２２は、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１（１００）が適用された画像表示装置３００を示す図である。本実施形態の画像表示装置３００は、赤色レーザ光源３１１と、緑色レーザ光源３１２と、青色レーザ光源３１３と、分離ミラー３１４，３１５と、コリメータレンズ３２０と、ミラー３３０と、光変調素子アレイ３４０と、投影レンズ３４５とを有している。
【０１３０】
本実施形態の画像表示装置３００は、光源として、例えば半導体レーザ等で構成される３種類の光源を用いて所定の波長の光を出力するように構成されている。すなわち、本実施形態では、赤色レーザ光源３１１は、波長６３０ｎｍの赤色光を出力する光源であり、緑色レーザ光源３１２は、波長５４０ｎｍの緑色光を出力する光源であり、そして青色レーザ光源３１３は、波長４５０ｎｍの青色光を出力する光源である。これらの光源は、後述のレーザ光源駆動制御部３８０によって、順次光を出射するように制御される。
【０１３１】
分離ミラー３１４は、緑色レーザ光源３１２から出力した緑色光を反射し、赤色レーザ光源３１１から出力した波長の長い赤色光を透過するミラーである。赤色レーザ光源から出力した赤色光は、分離ミラー３１４を透過して分離ミラー３１５に入射する。一方、緑色レーザ光源から出力した緑色光は、分離ミラー３１４にて反射して分離ミラー３１５に入射する。
【０１３２】
分離ミラー３１５は、青色レーザ光源３１３から出力した青色光を反射し、赤色レーザ光源３１１および緑色レーザ光源３１２から出力した波長の長い赤色光および緑色光を透過するミラーである。赤色レーザ光源３１１および緑色レーザ光源３１２から分離ミラー３１４を介して分離ミラー３１５に入射する赤色光および緑色光は、分離ミラー３１５を透過し、後段のコリメータレンズ３２０に入射する。一方、青色レーザ光源３１３から分離ミラー３１５に入射する青色光は、分離ミラー３１５にて反射し、後段のコリメータレンズ３２０に入射する。
【０１３３】
コリメータレンズ３２０は、分離ミラー３１５から送られてくる赤色光、緑色光、および青色光を平行光に変換するミラーである。コリメータレンズ３２０によって平行光とされた各色光は、ミラー３３０にて反射し、所定の入射角θ_０にて光変調素子アレイ３４０に入射する。
【０１３４】
光変調素子アレイ３４０は、第３実施形態の光変調素子アレイ２４０と同様に、第１実施形態の光変調素子１または第２実施形態の光変調素子１００が、同一平面上に複数個二次元配列されたものである。各光変調素子１（１００）は、他の光変調素子１（１００）とは、独立にＯＮ、ＯＦＦ制御可能に構成されている。各光変調素子１（１００）の駆動制御については、第３実施形態の光変調素子アレイ２４０と同様である。
【０１３５】
投影レンズ３４５は、光変調素子アレイ３４０によって選択的に回折した回折光を投影面３５０に投影し、結像するレンズである。
【０１３６】
画像表示装置３００においては、投影面３５０に投影すべき映像信号であるＲＧＢ信号は、外部入力部３６０を介して受け取られる。この外部入力部３６０で受け取ったＲＧＢ信号は、主制御部３７０に送られる。
【０１３７】
主制御部３７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部３９０に出力する。また、主制御部３７０は、光変調素子制御部３９０に送られた変調信号に対応した同期信号をレーザ光源駆動制御部３８０に出力する。
【０１３８】
レーザ光源駆動制御部３８０は、主制御部３７０から出力された同期信号に応じて、青色レーザ光源３１１、緑色レーザ光源３１２および赤色レーザ光源３１３を制御する。このレーザ光源駆動制御部３８０は、各光源３１１，３１２，３１３が所定時間ずつ順次光を出射することにより、光変調素子アレイ３４０の表面に、赤色光、緑色光、青色光の順番で連続的に光が供給されるように各光源を駆動制御する。
【０１３９】
光変調素子制御部３９０は、主制御部３７０から出力された変調信号に応じて、光変調素子アレイ３４０上の各光変調素子１（１００）の駆動制御を行う。すなわち、光変調素子制御部３９０は、光変調素子アレイ３４０上の各光変調素子１（１００）の下部電極３０（１３０）に所定電圧を印加し、上部電極４７（１４７）に選択的に電圧を印加することにより、下部電極３０（１３０）と上部電極４７（１４７）との間に所定の電位差を生じさせ、可動膜４０（１４０）を選択的に変位させる。
【０１４０】
これにより、光変調素子制御部３９０は、光変調素子アレイ３４０に順次入射する赤色光、緑色光、青色光のそれぞれを変調信号に応じた時間だけ、回折させ投影面３５０に出力するように制御し、画像を時分割的に投影面３５０に投影表示する。この光変調素子３９０の制御プロセスについては、第３実施形態の光変調素子制御部２９０の動作と同様である。
【０１４１】
以上、本実施形態の画像表示装置３００は、ＲＧＢの各色に対応した光を、順次光変調素子アレイ３４０上に送出し、光変調素子アレイ３４０の各光変調素子１（１００）を映像信号であるＲＧＢ信号に対応して駆動することにより投影面３５０に画像（映像）を表示する。すなわち、光変調素子アレイ３４０の各光変調素子１（１００）は、画像表示装置３００が出力する画像（映像）の一つの画素に対応し、その画素位置におけるＲＧＢ信号の色比率に応じた時間だけ、赤、緑、青の各色光が光変調素子１（１００）によって順次回折され、投影面３５０に投影される。
【０１４２】
したがって、本実施形態によれば、各画素毎に単一の光変調素子１（１００）を設けることにより、画像を時分割で表示することが可能な画像表示装置３００を提供することが可能となる。この画像表示装置３００は、各画素毎に単一の光変調素子のみで画像表示を行うため、各画素毎にＲＧＢにそれぞれ対応した３つの光変調素子を設けるタイプと比べ、設置面積を減らすことが可能となり、従来に比べ光変調素子アレイの小型化を図ることが可能となる。
【０１４３】
また、本実施形態の画像表示装置３００によれば、光変調素子アレイ３４０を用いてＲＧＢ信号を時分割して投影面３５０に投影表示させるため、空間分解能を損なうことなく画像表示を行うことが可能となる。したがって、高い空間解像度を有する画像を容易に表現可能な画像表示装置を提供することが可能となる。
【０１４４】
また、本実施形態によれば、動作変位量が小さく且つ高速応答性の高い可動膜４０を用いて構成された光変調素子１（１００）を有する光変調素子アレイ３４０が用いられている。したがって、消費電力を低く保ちつつ、画像表示に十分な高い応答性を有する画像表示装置３００を構成することが可能となる。
【０１４５】
なお、本実施形態では、主制御部３７０は、受け取ったＲＧＢ信号を各フレーム及び各画素毎に、ＲＧＢ信号を時分割表示用の変調信号に変換し、光変調素子制御部３９０に出力するとしたが、これに限られず、画像表示装置３００の外部で時分割表示用の変調信号が作成され、外部入力部３６０が受け取る信号が最初から時分割表示用の変調信号であってもよい。
【０１４６】
また、本実施形態では、出力されて投影される光は、回折光であるとしたが、これに限られず、各光変調素子１（１００）がＯＦＦ状態のときの反射光を外部に取り出すように構成してもよい。
【０１４７】
【発明の効果】
本発明の光変調素子によれば、複数の薄膜を選択的に変位させることにより、波長に応じて入射光を選択的に回折させることが可能である。したがって、一つの素子を用いて、複数の波長を持つ光を選択的に回折させることができるため、小型で且つ汎用性の高い光変調素子を提供することが可能となる。
【０１４８】
また、本発明の光変調素子アレイは、同一平面上に複数の光変調素子を配列した、すなわち、１次元または２次元的に複数の光変調素子をしたものである。したがって、この光変調素子アレイにおいて、個々の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択することが可能となる。
【０１４９】
また、本発明の画像表示装置によれば、光出力部から出射される赤色波長、緑色波長および青色波長を有する光を順次受け取って、それぞれ選択的に回折し、回折光を投影面に向けて投影結像することが可能である。したがって、光変調素子アレイ中の複数の光変調素子を独立に駆動することにより、空間的に回折光を選択し、投影面に投影する時分割型の画像表示装置を構成することが可能である。また、この画像表示装置においては、一つの素子が一つの画素に対応する小型かつ高速応答性に富んだ光変調素子アレイを用いているので、解像度が高く、コンパクトな画像表示装置を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の光変調素子を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】第１実施形態の光変調素子の可動膜を５個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図５】第１実施形態の光変調素子の可動膜を６個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図６】第１実施形態の光変調素子の可動膜を７個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図７】第１実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図８】第１実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図９】第１実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図１０】本発明に係る第２実施形態の光変調素子を示す斜視図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ矢視断面図である。
【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視断面図である。
【図１３】第２実施形態の光変調素子の可動膜を５個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図１４】第２実施形態の光変調素子の可動膜を６個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図１５】第２実施形態の光変調素子の可動膜を７個おきに変位させた状態をそれぞれ示す図である。
【図１６】第２実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図１７】第２実施形態の光変調素子の作成方法を説明する図である。
【図１８】第３実施形態の画像表示装置を示す図である。
【図１９】第３実施形態のカラーフィルタを示す図である。
【図２０】第３実施形態の光変調素子アレイを示す図である。
【図２１】第３実施形態の光変調素子アレイの動作説明図である。
【図２２】第４実施形態の画像表示装置を示す図である。
【符号の説明】
１，１００ 光変調素子
１０，１１０ 基板
２０，１２０ 絶縁膜
３０，１３０ 下部電極
４０，１４０ 可動膜
４０ａ，１４０ａ 間隙
４１，４２，１４１，１４２ 固定部
４３，１４３ リボンミラー部
４３ａ，１４３ａ 上面
４４，４５ 傾斜部
４６，１４６ 支持膜
４７，１４７ 上部電極
１１０ａ 凹部
１１０ｂ 基体
１１０ｃ 底面
１１０ｄ 孔
１１１，１１２ 段部
１４８ 接続部
２００，３００ 画像表示装置
２１０ 光源
２２０ フィルタ部
２２１ 駆動モータ
２２２ 回転軸
２２３ カラーフィルタ
２３０，３３０ ミラー
２３５，３２０ コリメータレンズ
２４０，３４０ 光変調素子アレイ
２４５，３４５ 投影レンズ
２５０，３５０ 投影面
２６０，３６０ 外部入力部
２７０，３７０ 主制御部
２８０ 回転制御部
２９０，３９０ 光変調素子制御部
３１１ 赤色レーザ光源
３１２ 緑色レーザ光源
３１３ 青色レーザ光源
３１４，３１５ 分離ミラー
３８０ レーザ光源駆動部

Claims (12)

1. 光を反射する反射面をそれぞれ有する複数の薄膜と、
   前記複数の薄膜を固定する基板と、
   前記複数の薄膜に電圧を印加することにより前記薄膜を変位させる駆動手段と、を有し、
   前記駆動手段は、前記複数の薄膜を選択的に変位させることにより、前記複数の薄膜の前記反射面に入射する入射光の波長に応じて、前記入射光を波長選択的に回折させることを特徴とする光変調素子。
2. 前記複数の薄膜は、それぞれ前記駆動手段によって変位する可動部と、前記可動部の両端に連接され、前記基板上に固定された固定部とを有することを特徴とする請求項１記載の光変調素子。
3. 前記複数の薄膜は、それぞれ前記基板上に長手方向が平行に設けられた回折格子である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. 前記駆動手段は、前記複数の薄膜の前記可動部の変位量を互いに同程度に変位させることを特徴とする請求項２または３記載の光変調素子。
5. 前記駆動手段は、前記複数の薄膜が所定周期の配列となるように選択的に前記薄膜を変位させ、回折する前記入射光の波長を選択することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の光変調素子。
6. 前記所定周期の配列は、複数の周期配列を含むことを特徴とする請求項５記載の光変調素子。
7. 前記複数の周期配列は、赤色光、緑色光、青色光に対応する光をそれぞれ回折させる周期配列であることを特徴とする請求項６記載の光変調素子。
8. 前記複数の周期配列は、配列周期が５：６：７の比であることを特徴とする請求項６または７記載の光変調素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光変調素子を複数個平面上に配列したことを特徴とする光変調素子アレイ。
10. 赤色波長、緑色波長および青色波長を有する光を順次出射する光出力部と、
    画像信号に応じて、前記光出力部から出射した前記光を波長選択的に回折する請求項１０記載の光変調素子アレイと、
    前記光変調素子アレイから出射した回折光を投影面に向けて結像する投影レンズと、を備えたことを特徴とする画像表示装置。
11. 前記光出力部は、
    白色光を出射する光源と、
    赤、緑および青のカラーフィルタを有し、前記光源から出射した前記白色光が前記赤、緑および青のカラーフィルタのそれぞれを順次透過するように前記カラーフィルタを動かすフィルタ部と、を有することを特徴とする請求項１０記載の画像表示装置。
12. 前記光出力部は、
    前記赤色波長を有する光を出射する赤色光光源と、
    前記緑色波長を有する光を出射する緑色光光源と、
    前記青色波長を有する光を出射する青色光光源と、
    前記赤色光源、緑色光源、および青色光源のそれぞれから順次光を出射するように、各光源を制御する光源駆動制御部と、を有することを特徴とする請求項９記載の画像表示装置。

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