JP2006323358A - 光偏向装置、光偏向アレー、光学システム、画像投影表示装置および画像形成装置 - Google Patents

光偏向装置、光偏向アレー、光学システム、画像投影表示装置および画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ミラーである板状部材が傾斜変位する際に接触する基板上の任意の部位(接触部位や支点部位)または板状部材の該当する接触部を、耐熱性を有しかつ機械的変形が少ない(硬い)膜で構成することにより、固着を抑制し、光偏向装置の低電圧駆動を実現する。
【解決手段】支点部材103、接触部位106、板状部材104の下層104aを、高融点金属元素を主成分とする層で構成する。高融点金属元素を主成分とする層は、高い耐熱性と高いヤング率と硬さを有し、光偏向動作に伴い作用する力に対して機械的変形が少なく(接触面積の増大を抑制)、固着力の増加を抑制する。
【選択図】図4

Description

本発明は、入射光に対する出射光の方向を変える光偏向装置に関し、例えば電子写真方式のプリンタや複写機等の画像形成装置、投影プロジェクターやデジタルシアターシステム、リアプロジェクションテレビ等の画像投影表示装置に好適な技術に関する。
本発明者らが先に発明した、光偏向方法、光偏向装置、その製造方法およびその応用製品が特許文献1に記載されている。特許文献1は、固定部を持たない板状部材すなわちミラーを空間に閉じ込めて静電引力により支点部位を中心に傾斜変位させ光偏向を行うことを特徴とし、1軸または2軸方向に光偏向する光偏向装置が開示されている。また、ミラーである板状部材に接触電位を付与する場合と電気的に浮いている場合の、それぞれの構造の光偏向装置および光偏向方法(すなわち駆動方法)も開示されている。
以下、その代表的な構造および駆動方法を説明する。図1は、特許文献1に開示の光偏向装置を示す。この光偏向装置は、ミラーである板状部材に接触電位を付与する場合の光偏向装置であり、2軸4方向に光偏向する構造を有している。図1(a)は、光偏向装置の上面図であり、(b)はA−A’線上の断面図、図(c)はB−B’線上の断面図、(d)はC−C’線上の断面図である。なお、図1では、光偏向装置が複数2次元に配置された光偏向アレーの一つの光偏向装置を図示している。
図1において、基板101と、複数の規制部材102と、支点部材103と、板状部材104と、複数の電極105a、105b、105c、105dを有し、複数の規制部材102はそれぞれ上部にストッパを有し、基板101の複数の端部にそれぞれ設けられ、支点部材103は導電性を有する部材で構成される頂部を有して基板101の上面に設けられ、板状部材104は固定端を持たず、上面に光反射領域を有し、少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有し、裏面の少なくとも頂部と接する接触点が導電性を有する部材からなり、基板101と支点部材103とストッパの間の空間内で可動的に配置され、板状部材104の電位を支点部材103との接触により付与し、複数の電極105a、105b、105c、105dは基板101上にそれぞれ設けられ、板状部材104の導電体層とほぼ対向している構成を有している。106は板状部材104が傾斜変位により基板101と接触する時に接触面積を低減する目的で配置された接触部位であり、前掲した特許文献1には開示されていない。
光偏向装置は、電極105a〜105dおよび支点部材103に印加される電位の組み合わせにより、図1(c)、(d)に示すように方向1〜方向4へ傾斜変位し、それに応じて例えば基板面と垂直方向から入射した入射光を方向1〜方向4の4方向へ反射させることが出来る。また、逆に4方向から入射した入射光を基板と垂直方向へ反射させることが出来る。
図2は、電圧印加の組合せと板状部材の傾斜方向の関係を示す。図2に示すように、X(V)と0(V)の2種類の電位を、5電極に組合せて印加することにより、上記した4方向への光偏向が可能となる。
上記光偏向装置は、以下の利点を有している。すなわち、
・支点部材と基板と板状部材の接触で傾斜角が決定されるので、ミラーの偏向角の制御が容易かつ安定である。
・支点部材を中心として対向する電極に異なる電位を印加することにより高速に薄膜の板状部材が反転するので、応答速度が速くできる。
・板状部材が固定端を有していないので捻り変形などの変形を伴わず長期的な劣化が少なく低電圧で駆動できる。
・半導体プロセスにより微細で軽量な板状部材を形成できるので、ストッパとの衝突による衝撃が少なく、長期的な劣化が少ない。
・規制部材や板状部材や光反射領域の構成を任意に決めることにより、反射光のON/OFF比(画像機器におけるS/N比、映像機器におけるコントラスト比)を向上できる。
・半導体プロセスおよび装置を使用できるので、低コストで微細化と集積化が可能である。
・支点部材を中心として複数の電極を配置することにより、1軸2次元の光偏向および2軸3次元の光偏向が可能である。
以上のように、上記光偏向装置は多くの利点を有しており、従来の捩り梁方式の光スイッチや回折格子方式の光スイッチに比べ優れている。
また、光偏向装置を用いた新規な光学システムが、特許文献2に画像投影表示装置として提案されている。この画像投影表示装置では、2軸4方向へ光偏向する光偏向アレーを用いた光学システムが開示され、以下の2つの光学システムが提案されている。
まず、第一の光学システムとしては、平行光に整形された白色光が2軸4方向の偏向方向を有する光偏向アレーにほぼ正面(真上)から入射され、3原色の赤の色情報で特定の偏向方向に光偏向され、光路中のカラーフィルターと、第1のフィールドレンズ、投影レンズ、第2のフィールドレンズを経て画像表示部に至り、1個の光偏向装置を1つの画素とした色情報が画像表示部上に結像される。他の色についてもそれぞれの特定方向に光偏向され、同様に画像表示部上に時間順次に重ね合わせられ、カラー画像として認識される。このような光学システムにより、カラーホイールを用いずに1個の光偏向アレー(表示デバイス)で3色表示が可能となるので、低コストで簡単な構成の画像投影表示装置が提供できる。
第二の光学システムとしては、画像情報の3原色に対応する光束を個別に投光する3個の光源を有し、3個の光源による光束がそれぞれ異なる方向から1個の光偏向アレーに入射し、時間順次に光偏向アレーを構成する個々の光偏向装置により光偏向される。各色の光束の目的の反射方向はいずれの色も光偏向アレーの面に垂直であり、時間順次に1個の投影レンズに導かれ画像表示部に投影表示される。第二の光学システムにおいても、カラーホイールを用いずに1個の光偏向アレー(表示デバイス)で3色表示が可能となるので、低コストで簡単な構成の画像投影表示装置が提供できる。
さらに、基板上に形成された複数の電極の配置を改善して光偏向動作の安定動作を向上させた特許文献3、新たにエレクトレット部材を板状部材に構成することにより電極数を大幅に低減して駆動系との一体化におけるコストの低減および装置の小型化を図った特許文献4などがある。また、上記光偏向装置の基板上に形成された複数の電極を両極駆動することにより絶縁膜中への電荷の蓄積を抑制し、光偏向動作の安定動作を向上させた特許文献5がある。
特開2004−78136号公報 特開2004−138881号公報 特開2004−286970号公報 特開2004−317744号公報 特開2005−17799号公報
前述のように、図1の光偏向装置は固定部を持たない板状部材104をミラーとして用いることにより多くの利点を有している。しかし一方で、固定部を持たない板状部材104は、その光偏向動作において光偏向装置を構成する各部材、例えば接触部位106や支点部材103や規制部材102(ストッパ部含む)と接触する。光偏向装置は、基板上に構成された複数の電極と板状部材との間で生じる静電引力により板状部材が傾斜変位して光偏向動作するが、静電引力により板状部材は絶えず支点部材を押し付ける力を作用させ、基板上に構成された接触部位に対しては傾斜して衝突し力を作用させる。またストッパを含む規制部材に対しては不規則に接触して力を作用させる。
図3は、図1の光偏向装置のA−A’断面図であり、光偏向動作時に基板に作用する力を白抜き矢印で示す。これらの作用する力は、その有するエネルギーを熱または構成部材の歪に変え、板状部材を基板に固着させてしまう。この固着力を超えて板状部材を傾斜変位させるためには、複数の電極に印加する電圧をある程度高くする必要が生じ、これが光偏向装置の低電圧駆動の妨げとなる。
このように、板状部材の電位を支点部材を経由して付与する光偏向装置だけではなく、電気的に浮いている板状部材を変位させる光偏向装置も上記した問題がある。また、本発明の光偏向装置を含めて、捩り梁方式の光スイッチや両端固定梁型の光スイッチでも、ミラーが形成された部材が光スイッチ動作において基板を構成する任意の部材と接触する際に、同様に固着させる。
また、光偏向装置を稼動させない待機時においては、基板上に構成された複数の電極105に電位が付与されないため板状部材104との間に静電引力が作用せず、板状部材は自由に動いてストッパに接触する可能性が高い。この時の板状部材の衝突エネルギーや、ストッパと板状部材の表面エネルギー差や、ストッパとの接触面積、光偏向装置の置かれる環境(温度湿度など)に応じて、板状部材104がストッパ102に固着する。図13は、図1の光偏向装置のA−A’断面図であり、待機時に板状部材が自由に動いて完全にストッパに接触固着した様子を模式的に示す。上記した課題に対して、従来例では、稼動の初期に板状部材に対向して設置した複数の電極に異なる電位を付与することにより、ストッパに固着している板状部材に静電誘導的に電位を付与し、固着力を超える静電引力を作用させ、板状部材を基板側に引き寄せている(リセット動作)。
近年の光学システムの高精細化や低コスト化の要求に対して、光偏向装置を微細化し、光偏向装置をアレー化した光偏向アレーを高集積化するには、ミラーである板状部材104の面積を縮小する必要がある。それに応じて、対向する複数の電極105の面積も縮小されるため、リセット動作時に複数の電極105に付与する電位(以下、リセット電圧)を増大させなければならない。リセット電圧の上昇は、光偏向装置の低電圧駆動を困難にするだけではなく、光偏向装置を用いた製品(光学システム、画像投影表示装置、画像形成装置)の消費電力を増大させることになる。
以下、これを詳述する。本発明が解決する課題は、前述のように、ミラーの光偏向動作に伴い作用する力が板状部材を基板上の構成部材に固着させることにある。本発明はこの固着を抑制し、低電圧駆動を達成することを目的としている。
一般的に、固着は静電力、水架橋力、分子間力により発生するが、静電力は帯電が原因であり、水架橋力は光偏向動作時の環境や表面における水分の吸着に依存する。分子間力は接触するものの距離に依存する。本発明で問題となる固着は分子間力に起因するものである。通常、光偏向装置を構成する板状部材や接触部位はスパッタリング法やCVD法により形成される薄膜であるので、その表面の粗さは数10〜数100nmである。そのような表面の粗さの膜における接触では、分子間力による固着は距離が離れすぎて大きく影響しないと考えられる。
しかし、従来例において、例えば接触部位106の材質を一般的に半導体プロセスで用いられるAl−1wt%Si−0.5wt%CuやAl−2wt%Cu等のアルミニウム系金属で用い、板状部材104の材質を一般的に高い反射率を有する純AlやAl−1wt%Ti等のアルミニウム系金属で用いた場合、その融点は660℃程度と低く、かつヤング率は70〜100GPaと低く、かつ硬度は2〜3GPa(ナノインデンテーション法による硬度)と低い。そのため、光偏向動作による接触部位106での衝突力や支点部材103での押し付け力により、そのエネルギーは熱または接触部の部材の歪に変換され、それにより構成部材が変形し、接触距離を近づけ、かつ接触面積を増大させ、固着力を増大させる。それにより、望ましい数Vの駆動電圧での光偏向動作が難しく、固着を脱して光偏向動作を開始するために10V以上の駆動電圧の印加が必要となる。
本発明においては、板状部材が接触する部位、例えば接触部位106、支点部材103、板状部材の接触面を、耐熱性を有し(すなわち融点が高く)かつ硬度が高いすなわち硬い部材で構成することにより、これらの力が作用しても構成部材の変形が起こらず、固着が抑制される。
本発明の目的は、ミラーである板状部材が傾斜変位する際に接触する基板上の任意の部位(接触部位や支点部位)または板状部材の該当する接触部を、耐熱性を有しかつ機械的変形が少ない(概して硬い)膜で構成することにより、上記作用力による固着を抑制し、光偏向装置の低電圧駆動を実現した光偏向装置、光偏向アレー、光学システム、画像投影表示装置および画像形成装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、板状部材と対向するストッパの任意の部位を硬質層で構成することにより、板状部材がストッパに固着することを抑制し、低電圧駆動を達成した光偏向装置、光偏向アレー、光学システム、画像投影表示装置および画像形成装置を提供することにある。
本発明は、基板と、複数の規制部材と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、該複数の規制部材はそれぞれ上部にストッパを有し、基板の複数の端部にそれぞれ設けられ、該支点部材は頂部を有して基板の上面に設けられ、該板状部材は光反射領域を有し、かつ固定端を持たず、かつ少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有し、かつ基板と該支点部材と該ストッパの間の空間内で可動的に配置され、該複数の電極は基板上にそれぞれ設けられ、板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有し、該板状部材が該支点部材を中心として静電引力により傾斜変位することにより、光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて光偏向を行う光偏向装置において、該板状部材が接触する基板上に構成された任意の部位を、高融点金属元素を主成分とする層で構成することを最も主要な特徴とする。
本発明は、ミラーである板状部材が傾斜変位する際に接触する基板上の任意の部位(接触部位や支点部位)または板状部材の該当する接触部を、耐熱性を有しかつ機械的変形が少ない(概して硬い)膜で構成することにより、上記作用力による固着を抑制し、光偏向装置の低電圧駆動を達成することができる。
本発明(請求項1)の光偏向装置においては、基板と、複数の規制部材と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、該複数の規制部材はそれぞれ上部にストッパを有し、基板の複数の端部にそれぞれ設けられ、該支点部材は頂部を有して基板の上面に設けられ、該板状部材は光反射領域を有し、かつ固定端を持たず、かつ少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有し、かつ基板と該支点部材と該ストッパの間の空間内で可動的に配置され、該複数の電極は基板上にそれぞれ設けられ、板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有し、該板状部材が該支点部材を中心として静電引力により傾斜変位することにより、光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて光偏向を行う光偏向装置において、該板状部材が接触する基板上に構成された任意の部位を、高融点金属元素を主成分とする層で構成しているので、板状部材が静電引力により傾斜変位する際に、基板上の該任意の部位を押し付けて作用する力により、熱的または機械的に構成部材を変形させて接触面積を増大させ、固着力を増加させることを抑制することができる。それにより光偏向装置の低電圧駆動を達成できる。
本発明(請求項2)の光偏向装置においては、板状部材が接触する基板上に構成された任意の部位が支点部材または基板上に設置された接触部位であり、上記静電引力による押し付ける力が主に集中して作用する部位を、高融点金属元素を主成分とする層で構成することにより、効率的に固着力の増加を抑制し、低電圧駆動を達成できる。また、高融点金属を主成分とする層が導電性を有する場合に、支点部位や接触部位に限定して設置することにより、他構成部位との電気的絶縁を確保することができる。
本発明(請求項3)の光偏向装置においては、高融点金属元素を主成分とする層が、接触する基板上に構成された任意の部位に留まらず、板状部材にも構成されているので、さらに効率的に固着力の増加を抑制することが出来、さらに低電圧の駆動を達成できる。
本発明(請求項4)の光偏向装置においては、高融点金属を主成分とする層がタングステンで構成され、高い耐熱性と高い硬度を有しているので、上記静電引力による押し付ける力による変形が特に少なく、効率的に固着力の増加を抑制することが出来、さらに低電圧の駆動を達成できる。
本発明(請求項5)の光偏向装置においては、高融点金属を主成分とする層がチタン窒化膜で構成され、高い硬度を有するだけでなく、LSI等の半導体装置の製造プロセスで一般的に用いられているので、LSIとの一貫製造に適しており、かつミラー材に用いられるアルミニウム系金属膜と塩素系ガスによる同時加工が可能である。それにより、容易に固着力の増加を抑制することが出来、低電圧の駆動を達成できる。
本発明(請求項6)の光偏向装置においては、基板と、複数の規制部材と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、該複数の規制部材はそれぞれ上部にストッパを有し、基板の複数の端部にそれぞれ設けられ、該支点部材は頂部を有して基板の上面に設けられ、該板状部材は光反射領域を有し、かつ固定端を持たず、かつ少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有し、かつ基板と該支点部材と該ストッパの間の空間内で可動的に配置され、該複数の電極は基板上にそれぞれ設けられ、板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有し、該板状部材が該支点部材を中心として静電引力により傾斜変位することにより、光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて光偏向を行う光偏向装置において、板状部材と対向する該ストッパの任意の部位を硬質層で構成しているので、固定端を持たない板状部材が待機時に不規則な速度でストッパに衝突する際に、その衝突エネルギーにより熱的または機械的にストッパを変形させて接触面積を増大させ固着力を増加させることを抑制することができる。それにより光偏向装置の低電圧駆動を達成できる。
本発明(請求項7)の光偏向装置においては、該硬質層が窒化シリコン膜であるので、高い硬度を有するだけでなく、LSI等の半導体装置の製造プロセスで一般的に用いられているのでLSIとの一貫製造を可能とする。
本発明(請求項8)の光偏向装置においては、該硬質層が窒化チタン膜であるので、高い硬度を有するだけでなく、LSI等の半導体装置の製造プロセスで一般的に用いられているのでLSIとの一貫製造を可能とする。また高い遮光性を有しているので基板からの乱反射の抑制が可能となる。
本発明(請求項9)の光偏向アレーにおいては、光偏向装置を複数1次元または2次元アレー状に配置しているので、個々の光偏向装置の偏向方向を決定する駆動信号を記憶する半導体メモリ回路を、光偏向装置の直下に、低電圧駆動が可能で小型な半導体メモリ回路で構成することが出来る。それにより、光偏向アレーを高集積でかつ小型でかつ低コストで提供できる。
本発明(請求項10)の光学システムにおいては、光偏向アレーを有し、該光偏向アレーを照明する光源を有し、該光偏向アレーからの反射光を色情報に応じて投影する投影レンズを有する光学システムであるので、高集積化された光偏向アレーにより高精細な画像の投影を低コストのシステムで提供できる。
本発明(請求項11)の画像投影表示装置においては、本発明の光学システムを投影光学システムとして用いるので、高精細な画像を表示する画像投影表示装置を低コストに提供できる。
本発明(請求項12)の画像形成装置においては、本発明の光学システムを光書込みユニットとして用いるので、高精細な画像を感光体上に書き込む光書込みユニットを低コストに提供できる。
以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。本発明が適用される、光偏向装置を構成する部材、光偏向装置の製造方法および駆動方法などは、前述した図1に示す従来例と同様であるので、その説明を省略する。また、光偏向装置を構成する板状部材は、電気的に浮いている場合と、支点部材を経由して接触的に電位を付与する場合の何れでもよい。また、1軸2次元の光偏向動作を行う光偏向装置、2軸3次元の光偏向動作を行う光偏向装置も本発明に含まれる。さらに、本発明の光偏向装置の他に、捩り梁方式の光スイッチや両端固定梁型の光スイッチにおいて、ミラーが形成された部材が光スイッチ動作において基板を構成する任意の部材と接触する場合も本発明に含まれる。
実施例1:
図4は、本発明の実施例1の光偏向装置(A−A‘断面図)を示す。実施例1においては、支点部材103、接触部位106に加えて、板状部材104の下層104aが、高融点金属元素を主成分とする層(グレーで図示)で構成されている。また、板状部材104の上層には高い反射率を有するアルミニウム系金属膜が構成されている。
高融点金属元素を主成分とする層とは、高融点金属元素をおよそ50wt%以上含有する膜であると定義し、具体的にはチタン、ジルコニウム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステンの単層膜、合金膜、窒化膜または酸化膜である。実施例1ではタングステン単層膜から成る。高融点金属元素を主成分とする層は、高い耐熱性と高いヤング率と硬さを有しており、前述の光偏向動作に伴い作用する力に対して機械的変形が少なく、接触面積の増大を抑制するとともに接触間距離の増大を抑制し、固着力の増加を抑制できる。
実施例1のタングステンは3400℃程度の融点を有し、かつヤング率は300GPa程度と高く、硬さ(ナノインデンテーション法による測定)も15〜20GPaと硬いので、良好に固着力の抑制が可能となる。なお、タングステン膜はCVD法またはスパッタリング法により成膜されて、SF6ガス系のドライエッチング技術によりパターン化されて形成される。
実施例2:
図5は、本発明の実施例2の光偏向装置(A−A‘断面図)を示す。実施例2においては、支点部材103の上層103a、接触部位106の上層106a、板状部材104の下層104aが、チタン窒化膜で構成されている。また、板状部材104の上層には高い反射率を有するアルミニウム系金属膜が構成されている。支点部材103と接触部位106はシリコン酸化膜などの絶縁膜やアルミニウム系金属膜の導電性膜で必要に応じて構成されている。
実施例2では、支点部材103と接触部位106の上層103a、106aにチタン窒化膜が構成されているが、これは本発明の一つの実施形態であり、本発明はこれに限定されない。
実施例2のチタン窒化膜は、窒化膜でありながらある程度の導電性を有し(具体的には2E−4Ω・cm)、3000℃程度の融点を有し、かつヤング率は250GPa程度と高く、硬さ(ナノインデンテーション法による測定)も約15GPaと硬いので、良好に固着力の抑制が可能となる。なお、チタン窒化膜はアルゴンガスと窒素ガスによる反応性スパッタリング法やチタン窒化物をターゲットとしたスパッタリング法により成膜されて、BCl3/Cl2ガスのドライエッチング技術によりパターン化されて形成される。チタン窒化膜は通常の半導体製造プロセスに一般的に用いられる膜なので、LSIとの集積化において互いにダメージを与えないので整合性が良い。
実施例3:
図6は、実施例1の光偏向装置を複数2次元アレー状に配置した光偏向アレーを示す。図6(a)は、実施例3の光偏向アレーの上面図であり、図6(b)はA−A‘断面図である。実施例3では、本発明の光偏向装置がm行n列配置され、個々の光偏向装置は個別に供給される駆動信号に応じて光偏向動作を行う。この光偏向動作時に、本発明の光偏向装置はその特徴により低電圧駆動が可能であるので、供給される駆動信号も低電圧となる。該駆動信号は、光偏向装置直下に構成された半導体メモリ回路に記憶され、全光偏向装置を同時に光偏向動作させる(例えば、半導体メモリ回路に、板状部材の傾斜方向を指定するデータが入力記憶され、半導体メモリ回路のセル出力が該当する光偏向装置の板状部材の導電体層の電位を付与する電極に配線接続されている(特願2004−320821号))。本発明の特徴により低電圧の駆動信号を用いることができ、半導体メモリ回路も低電圧駆動可能なメモリ回路が使用できる(具体的には3V駆動のSRAMなど)。低電圧駆動SRAMはその占有面積が100μm2以下と小型であるので、光偏向アレーの小型化および高集積化に寄与し、それにより1個のシリコンウェハからの取り数(製品としてのアレー個数)を増大でき、製造コストを低減できる。
実施例4:
図7は、実施例4の光学システムを示す。実施例4は、本発明者らが先に提案した画像投影表示装置(特許文献2を参照)に用いられている光学システムを基にしている。すなわち、光偏向アレーは2軸4方向へ光偏向が可能であり、RGB3原色に対応する3個の光源光を画像情報に応じてアレー面と垂直方向(法線方向)へ反射させ、投影レンズに導いて投影表示するシステムである(なお、各色表示のための光偏向方向の切り換えのタイミングは特許文献2を参照)。
実施例4の光学システムは、実施例3の光偏向アレー707を照明する3原色の光源(赤701、青702、緑703)を有し、3光源より1個の光偏向アレー707に向けて3原色光が照射されている。3原色の光源としてはLD光源やLED光源または各アレー光源が用いられる。3原色光L(R)、L(G)、L(B)はそれぞれ整形レンズ704、705、706を通過し、光源の輝度分布や指向性の向上、絞りを配置して矩形に整形等され、整えられた3原色光L(R)、L(G)、L(B)はそれぞれ異なる方向から1個の光偏向アレー707に入射する。2軸4方向への光偏向が可能な光偏向アレー707を構成する個々の光偏向装置は、各光偏向方向が赤情報表示、青情報表示、緑情報表示、色表示せず(OFF動作)に割り当てられており、画像情報すなわち各色の色情報に応じて3原色光をアレー面と垂直方向(法線方向)へ反射させて、投影レンズ709に導いて投影表示する。黒表示すなわちOFF動作時は、3原色光はアレー面と垂直方向へ反射せず、一部の光、例えば図7におけるL(G)光は目的と異なる方向へ反射して光吸収板710に吸収される。光吸収板710は各3原色光に対応してそれぞれ配置しても良い。各画素の色情報表示のためには、光偏向アレーを構成する個々の光偏向装置が個別にその方向を決定する必要があり、その制御を光偏向アレーに接続した制御チップまたは制御ボード708で行なう。
本発明の光学システムはカラーホイールを用いず1個の光偏向アレーで画像投影が可能であるので小型で簡易な光学システムであり、光源としてLDまたはLEDまたはそのアレー光源を用いるので、発熱が少なくかつ小型でありかつ消費電力が少なく、冷却用のファンも不要となる。
実施例5:
図8は、実施例5の光学システムを示す。実施例5は、カラーホイールを用いて時分割的に3原色を表示する画像投影表示装置(特許文献1)に用いられている光学システムを基にしている。図8の光学システムにおいて、801はハロゲンランプやキセノンランプなどの白色光源であり、802は光源光の整形のためのロッドレンズであり、803が少なくとも3原色のカラーフィルターを有するカラーホイールであり、804は本発明の光偏向アレーであり、805は光偏向アレーを構成する個々の光偏向装置の光偏向方向を制御する制御チップであり、807は投影レンズであり、806は光吸収板である。
実施例5の光学システムに用いられる光偏向アレー804を構成する本発明の光偏向装置は、前述の2軸4方向への光偏向を行なう光偏向装置ではなく、1軸2方向への光偏向動作を行なう光偏向装置である。すなわち1方向から入射した入射光を目的の方向(ON方向)と目的以外の方向(OFF方向)へ色情報に応じて光偏向する。
光源801からの白色光がロッドレンズ802を通過して整形され、カラーホイール803に入射する。カラーホイールを通過する光源光は時間順次に赤青緑の色を有する光束Lとなり、光束Lが光偏向アレー804を照明する。光偏向アレー804を構成する個々の光偏向装置は、画像情報すなわち色情報に応じて光偏向動作を行ない、目的方向、例えばアレー面と垂直方向に反射光束Lonを反射させ、投影レンズ807に導き、投影レンズ807を通過して色情報が投影される。時間順次に投影される色情報は観察者の目の残像現象により色合成され、多彩な色を有する画像となる。目的以外の方向へ反射された光束Loffは光吸収板806で吸収される。
実施例6:
図9は、実施例6の光学システムを示す。図9において、901は光源であり、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ等の白色光源や、半導体レーザー、LEDおよびそのアレー光源等の単色光源が用いられる。光源901からの光源光が902の光学レンズを通過することにより、光偏向アレー列と垂直方向に集光され、線状光源となる。続いて光学レンズ903を通過することにより、光偏向アレー列方向に集光される。2個の光学レンズを通過した光源光は本発明の特徴である光偏向アレー904を任意の方向から照明し、光偏向アレー904を構成する個々の光偏向装置は905の制御チップから供給される画像情報に基づく信号により個々にON/OFFされ、目的の反射光束すなわちON光が投影レンズ906に導かれる。光偏向アレーとしては実施例3の光偏向アレーを用いた。投影レンズ906に導かれた反射光束は投影面907において任意の大きさで拡大投影され、実施例6においてはn列の光偏向アレーからの反射光束であるのでn列の画像情報が同時に投影されることになる。なお、実施例6において、投影レンズの入射側近傍で反射光束が結像するように光学システムが構成されているが、必ずしもその必要はなく、光偏向アレー面で結像する光学システムであってもよい。
上記した3種類の光学システムの光偏向アレーとして、実施例3の光偏向アレーを用いているので、光偏向装置の高集積化が安価で可能となり、高精細な投影光学システムを低コストに提供できる。
実施例7、8:
図10は、実施例7の画像投影表示装置を示す。図10の画像投影表示装置1001は、実施例4の光学システムを投影光学システムとして用いている。図11は、実施例8の画像投影表示装置を示す。図11の画像投影表示装置1101は、実施例5の光学システムを投影光学システムとして用いている。
実施例7、8では、ともに、画像情報を投影レンズ709、807を通して画像表示部すなわちスクリーン1002上に投影表示する。実施例7、8の画像投影表示装置は、その表示ユニットである光偏向アレーが本発明の特徴である光偏向アレーを用いているので、高精細な画像を表示する画像投影表示装置を低コストに提供できる。
実施例9:
図12は、実施例9の画像形成装置を示す。実施例9の画像形成装置は、実施例4〜6の光学システムを光書込みユニットとして用いる。図12(a)は光書込みの模式図であり、図12(b)は画像形成装置の構成図である。図12(a)において、1202aは実施例6の光学システムであり、n列の画像情報に対応する反射光束が投影される。投影された反射光束列は光学レンズ1202bを通過し、折り返し全反射ミラー1202cで反射して、画像担持体1201上の線状の投影面907へ投影される。
図12(b)において、電子写真方式の光書き込みを行なって画像を形成する画像形成装置1200は、図示の矢印D方向に回転可能に保持されて形成画像を担持する画像担持体1201のドラム形状の感光体を有し、帯電手段1205で均一に帯電された上記画像担持体1201の感光体上を上記光書込みユニット1202a、1202b、1202cで光書き込みを行なって潜像を形成し、該潜像を現像手段1203により感光体上にトナー画像として形成し、その後、トナー画像を転写手段1204で被転写体(P)に転写して、被転写体(P)に転写されたトナー画像を定着手段1206で定着した後に、被転写体(P)を排紙トレイ1207に排紙して収納される。他方、トナー画像を上記転写手段1204で被転写体(P)に転写した後の画像担持体1201の感光体は、クリーニング手段1208でクリーニングされて次工程の画像形成に備える。実施例4〜6の光学システムを上記画像形成装置の光書込みユニットとして用いることにより、本発明の光偏向装置の利点を有する光書込みが行なえるので、高精細な光書込みを有する画像形成装置を低コストに提供できる。
実施例10:
図14は、本発明の実施例10の光偏向装置(A−A‘断面図)を示す。実施例10において、板状部材104と対向する規制部材のストッパ部位102が硬質層1401(グレーで図示)で構成されている。他の構成は、図1の従来例と同様である。硬質層1401とは硬い膜を指すが、その値はビッカース法等の測定方法に依存し、近年は薄膜の硬さの測定方法としてナノインデンテーション法による押し込み硬さの測定が一般的であるので、本発明においてもナノインデンテーション法で硬質層の硬さを記載する。
硬質層の硬さとしては、15GPa以上が望ましく、実施例10では、硬さ20GPa程度の窒化シリコン膜または硬さ15GPa程度の窒化チタン膜を用いる。硬さと比較的相関が取れる物性値としてはヤング率があり、ヤング率では200GPa以上が望ましい。前述の窒化シリコン膜のヤング率は280〜380GPaと高く、窒化チタン膜の場合も200〜300GPaと高い。窒化シリコン膜や窒化チタン膜に代表される硬質層は、光偏向装置の待機時に、板状部材104がストッパに衝突する際に作用する力に対して機械的変形が少なく、接触面積の増大を抑制するとともに接触間距離の増大を抑制し、固着力の増加を抑制できる。
窒化シリコン膜は、通常LSI製造プロセスにおけるパッシベーション膜(保護膜)に用いられるので、LSIとの一貫製造に適している。また、窒化チタン膜も、通常LSI製造プロセスにおける金属メタル配線に用いられるので、LSIとの一貫製造に適している。さらに、窒化チタン膜は100nm程度の膜厚で反射率が20〜60%(波長に依存する)と低いので、基板からの不要な乱反射光を遮光することができる。しかし、板状部材からの反射光も遮るので、投影する画像情報の開口率を低下させることになる。そのため、光学システムが高輝度や高開口率を要求する場合は、窒化シリコン膜を用い、光学システムが高コントラスト比を要求する場合は、乱反射光を抑制してOFF光を低減させることができる窒化チタン膜を用いる。なお、本発明の硬質層としては上記窒化シリコン膜や窒化チタン膜に限定されず、例えば酸化アルミニウム膜、シリコンカーバイト膜、タングステン膜など、硬い膜であれば本発明の目的を達成できる。
次に、図15を参照して、本発明の実施例10の光偏向装置の製造方法を説明する(なお、図15の説明で省略している工程は、特許文献1に開示されている従来例と同様である)。図15は、実施例10の光偏向装置(A−A‘断面図)を示す。図15(a)において、基板101上に支点部材103、複数の電極105a,105b,105c,105d、接触部位106(図示を省略)が構成されている。
次に、図15(b)において、基板上に第一の犠牲層1501、板状部材104、第二の犠牲層1502、本発明の硬質層1401が順次構成される。第一の犠牲層1501と第二の犠牲層1502は、実施例10においてはノボラック系樹脂がスピンコート法により形成され、熱処理などにより平坦化されている。板状部材104はスパッタリング法等により高反射膜、高弾性率膜が積層され、さらに画素に対応するようにパターン化されている。硬質層1401は、窒化シリコン膜の場合にはプラズマCVD法により、窒化チタン膜の場合にはスパッタリング法により形成される。なお、本発明の犠牲層の膜種として有機膜を用いているが、シリコン膜やシリコン酸化膜でもよい。また、各膜の堆積方法は上記した例に限定されない。
次に、図15(c)において、第一の犠牲層1501、板状部材104、第二の犠牲層1502、本発明の硬質層1401が同一フォトマスクを用いてパターン化される。次に、図15(d)において、規制部材102を堆積し、硬質層1401と同一フォトマスクを用いてパターン化され、硬質層を部分的に有するストッパ部位が構成される。その後、図示していないが、犠牲層1501、1502がエッチング除去されて、光偏向装置が完成する。
実施例11:
図16は、本発明の実施例11の光偏向装置を示す。実施例11の構成において、実施例10と異なる点は、ストッパを有する規制部材102自体が硬質層(グレーで図示)で構成されていることである。硬質層としては、隣接する板状部材間での電気的な短絡を防止するために絶縁性であることが望ましく、実施例11では窒化シリコン膜を用いる。
実施例12:
図17は、実施例10の光偏向装置を複数2次元アレー状に配置した光偏向アレーを示す。図17(a)は、実施例12の光偏向アレーの上面図であり、図17(b)はA−A‘断面図である。実施例12では、本発明の光偏向装置がm行n列配置され、個々の光偏向装置は個別に供給される駆動信号に応じて光偏向動作を行う。この光偏向動作時に、本発明の光偏向装置はその特徴により低電圧駆動が可能であるので、供給される駆動信号も低電圧となる。駆動信号は、光偏向装置直下に構成された半導体メモリ回路に記憶され、全光偏向装置を同時に光偏向動作させる(例えば、半導体メモリ回路に、板状部材の傾斜方向を指定するデータが入力記憶され、半導体メモリ回路のセル出力が該当する光偏向装置の板状部材の導電体層の電位を付与する電極に配線接続されている(特願2004−320821号))。本発明の特徴により低電圧の駆動信号を用いることができ、半導体メモリ回路も低電圧駆動可能なメモリ回路が使用できる(具体的には3V駆動のSRAMなど)。低電圧駆動SRAMはその占有面積が100μm以下と小型なので、光偏向アレーの小型化および高集積化に寄与し、それにより1個のシリコンウェハからの取り数(製品としてアレー個数)を増大でき、製造コストを低減できる。
実施例13:
図18は、実施例13の光学システムを示す。実施例13は、本発明者らが先に提案した画像投影表示装置(特許文献2を参照)に用いられている光学システムを基にしている。すなわち、光偏向アレーは2軸4方向へ光偏向が可能であり、RGB3原色に対応する3個の光源光を画像情報に応じてアレー面と垂直方向(法線方向)へ反射させ、投影レンズに導いて投影表示するシステムである(なお、各色表示のための光偏向方向の切り換えのタイミングは特許文献2を参照)。
実施例13の光学システムは、実施例12の光偏向アレー1801を照明する3原色の光源(赤701、青702、緑703)を有し、3光源より1個の光偏向アレー1801に向けて3原色光が照射されている。3原色の光源としてはLD光源やLED光源または各アレー光源が用いられる。3原色光L(R)、L(G)、L(B)はそれぞれ整形レンズ704、705、706を通過し、光源の輝度分布や指向性の向上、絞りを配置して矩形に整形等され、整えられた3原色光L(R)、L(G)、L(B)はそれぞれ異なる方向から1個の光偏向アレー1801に入射する。2軸4方向への光偏向が可能な光偏向アレー1801を構成する個々の光偏向装置は、各光偏向方向が赤情報表示、青情報表示、緑情報表示、色表示せず(OFF動作)に割り当てられており、画像情報すなわち各色の色情報に応じて3原色光をアレー面と垂直方向(法線方向)へ反射させて、投影レンズ709に導いて投影表示する。黒表示すなわちOFF動作時は、3原色光はアレー面と垂直方向へ反射せず、一部の光、例えば図18におけるL(G)光は目的と異なる方向へ反射して光吸収板710に吸収される。光吸収板710は各3原色光に対応してそれぞれ配置しても良い。各画素の色情報表示のためには、光偏向アレーを構成する個々の光偏向装置が個別にその方向を決定する必要があり、その制御を光偏向アレーに接続した制御チップまたは制御ボード708で行なう。
本発明の光学システムはカラーホイールを用いず1個の光偏向アレーで画像投影が可能であるので小型で簡易な光学システムであり、光源としてLDまたはLEDまたはそのアレイ光源を用いるので、発熱が少なくかつ小型でありかつ消費電力が少なく、冷却用のファンも不要となる。
実施例14:
図19は、実施例14の光学システムを示す。実施例14は、カラーホイールを用いて時分割的に3原色を表示する画像投影表示装置(特許文献1)に用いられている光学システムを基にしている。図19の光学システムにおいて、801はハロゲンランプやキセノンランプなどの白色光源であり、802は光源光の整形のためのロッドレンズであり、803が少なくとも3原色のカラーフィルターを有するカラーホイールであり、1901は本発明の光偏向アレーであり、805は光偏向アレーを構成する個々の光偏向装置の光偏向方向を制御する制御チップであり、807は投影レンズであり、806は光吸収板である。
実施例14の光学システムに用いられる光偏向アレー1901を構成する本発明の光偏向装置は、前述の2軸4方向への光偏向を行なう光偏向装置ではなく、1軸2方向への光偏向動作を行なう光偏向装置である。すなわち1方向から入射した入射光を目的の方向(ON方向)と目的以外の方向(OFF方向)へ色情報に応じて光偏向する。
光源801からの白色光がロッドレンズ802を通過して整形され、カラーホイール803に入射する。カラーホイールを通過する光源光は時間順次に赤青緑の色を有する光束Lとなり、光束Lが光偏向アレー1901を照明する。光偏向アレー1901を構成する個々の光偏向装置は、画像情報すなわち色情報に応じて光偏向動作を行ない、目的方向、例えばアレー面と垂直方向に反射光束Lonを反射させ、投影レンズ807に導き、投影レンズ807を通過して色情報が投影される。時間順次に投影される色情報は観察者の目の残像現象により色合成され、多彩な色を有する画像となる。目的以外の方向へ反射された光束Loffは光吸収板806で吸収される。
実施例15
図20は、実施例15の光学システムを示す。図20において、901は光源であり、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ等の白色光源や、半導体レーザー、LEDおよびそのアレー光源等の単色光源が用いられる。光源901からの光源光が902の光学レンズを通過することにより、光偏向アレー列と垂直方向に集光され、線状光源となる。続いて光学レンズ903を通過することにより、光偏向アレー列方向に集光される。2個の光学レンズを通過した光源光は本発明の特徴である光偏向アレー2001を任意の方向から照明し、光偏向アレー2001を構成する個々の光偏向装置は905の制御チップから供給される画像情報に基づく信号により個々にON/OFFされ、目的の反射光束すなわちON光が投影レンズ906に導かれる。光偏向アレーとしては実施例12の光偏向アレーを用いた(m=1の一次元に配列したアレー)。投影レンズ906に導かれた反射光束は投影面907において任意の大きさで拡大投影され、実施例15においてはn列の光偏向アレーからの反射光束であるのでn列の画像情報が同時に投影されることになる。なお、実施例15において、投影レンズの入射側近傍で反射光束が結像するように光学システムが構成されているが、必ずしもその必要はなく、光偏向アレー面で結像する光学システムであってもよい。
上記した3種類の光学システムの光偏向アレーとして、実施例12の光偏向アレーを用いているので、光偏向装置の高集積化が安価で可能となり、高精細な投影光学システムを低コストに提供できる。
実施例16、17
図21は、実施例16の画像投影表示装置を示す。図21の画像投影表示装置2101は、実施例13の光学システムを投影光学システムとして用いている。図22は、実施例17の画像投影表示装置を示す。図22の画像投影表示装置2201は、実施例14の光学システムを投影光学システムとして用いている。
実施例16、17では、ともに、画像情報を投影レンズ709、807を通して画像表示部すなわちスクリーン1002上に投影表示する。実施例16、17の画像投影表示装置は、その表示ユニットである光偏向アレーが本発明の特徴である光偏向アレーを用いているので、高精細な画像を表示する画像投影表示装置を低コストに提供できる。
実施例18:
図23は、実施例18の画像形成装置を示す。実施例18の画像形成装置は、実施例13〜15の光学システムを光書込みユニットとして用いる。図23(a)は光書込みの模式図であり、図23(b)は画像形成装置の構成図である。図23(a)において、2301は実施例15の光学システムであり、n列の画像情報に対応する反射光束が投影される。投影された反射光束列は光学レンズ1202bを通過し、折り返し全反射ミラー1202cで反射して、画像担持体1201上の線状の投影面907へ投影される。
図23(b)において、電子写真方式の光書き込みを行なって画像を形成する画像形成装置1200は、図示の矢印D方向に回転可能に保持されて形成画像を担持する画像担持体1201のドラム形状の感光体を有し、帯電手段1205で均一に帯電された上記画像担持体1201の感光体上を上記光書込みユニット2301、1202b、1202cで光書き込みを行なって潜像を形成し、該潜像を現像手段1203により感光体上にトナー画像として形成し、その後、トナー画像を転写手段1204で被転写体(P)に転写して、被転写体(P)に転写されたトナー画像を定着手段1206で定着した後に、被転写体(P)を排紙トレイ1207に排紙して収納される。他方、トナー画像を上記転写手段1204で被転写体(P)に転写した後の画像担持体1201の感光体は、クリーニング手段1208でクリーニングされて次工程の画像形成に備える。実施例13〜15の光学システムを上記画像形成装置の光書込みユニットとして用いることにより、本発明の光偏向装置の利点を有する光書込みが行なえるので、高精細な光書込みを有する画像形成装置を低コストに提供できる。
従来の光偏向装置を示す。 従来例の駆動方式を示す。 従来例の課題を説明する図である。 本発明の実施例1(光偏向装置)を示す。 本発明の実施例2(光偏向装置)を示す。 本発明の実施例3(光偏向アレー)を示す。 本発明の実施例4(光学システム)を示す。 本発明の実施例5(光学システム)を示す。 本発明の実施例6(光学システム)を示す。 本発明の実施例7(画像投影表示装置)を示す。 本発明の実施例8(画像投影表示装置)を示す。 本発明の実施例9(画像形成装置)を示す。 従来例の課題を説明する図である。 本発明の実施例10(光偏向装置)を示す。 本発明の実施例10の製造方法を示す。 本発明の実施例11(光偏向装置)を示す。 本発明の実施例12(光偏向アレー)を示す。 本発明の実施例13(光学システム)を示す。 本発明の実施例14(光学システム)を示す。 本発明の実施例15(光学システム)を示す。 本発明の実施例16(画像投影表示装置)を示す。 本発明の実施例17(画像投影表示装置)を示す。 本発明の実施例18(画像形成装置)を示す。
符号の説明
101 基板
102 規制部材
103 支点部材
104 板状部材
105 電極
106 接触部位

Claims (12)

  1. 基板と、複数の規制部材と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、前記複数の規制部材はそれぞれ上部にストッパを有し、基板の複数の端部にそれぞれ設けられ、前記支点部材は頂部を有して基板の上面に設けられ、前記板状部材は光反射領域を有し、かつ固定端を持たず、少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有し、前記基板と前記支点部材と前記ストッパの間の空間内で可動的に配置され、前記複数の電極は基板上にそれぞれ設けられ、板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有し、前記板状部材が前記支点部材を中心として静電引力により傾斜変位することにより、光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて光偏向を行う光偏向装置において、前記板状部材が接触する基板上に構成された任意の部位を、高融点金属元素を主成分とする層で構成することを特徴とする光偏向装置。
  2. 請求項1記載の光偏向装置において、前記板状部材が接触する基板上に構成された任意の部位は、支点部材または基板上に設置された接触部位であることを特徴とする光偏向装置。
  3. 基板と、複数の規制部材と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、前記複数の規制部材はそれぞれ上部にストッパを有し、基板の複数の端部にそれぞれ設けられ、前記支点部材は頂部を有して基板の上面に設けられ、前記板状部材は光反射領域を有し、かつ固定端を持たず、少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有し、前記基板と前記支点部材と前記ストッパの間の空間内で可動的に配置され、前記複数の電極は基板上にそれぞれ設けられ、板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有し、前記板状部材が前記支点部材を中心として静電引力により傾斜変位することにより、光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて光偏向を行う光偏向装置において、前記基板が接触する板状部材に構成された任意の部位を、高融点金属元素を主成分とする層で構成することを特徴とする光偏向装置。
  4. 請求項1または3記載の光偏向装置において、前記高融点金属を主成分とする層は、タングステンで構成されていることを特徴とする光偏向装置。
  5. 請求項1または3記載の光偏向装置において、前記高融点金属を主成分とする層は、チタン窒化膜で構成されていることを特徴とする光偏向装置。
  6. 基板と、複数の規制部材と、支点部材と、板状部材と、複数の電極を有し、前記複数の規制部材はそれぞれ上部にストッパを有し、基板の複数の端部にそれぞれ設けられ、前記支点部材は頂部を有して基板の上面に設けられ、前記板状部材は光反射領域を有し、かつ固定端を持たず、少なくとも一部に導電性を有する部材からなる導電体層を有し、前記基板と前記支点部材と前記ストッパの間の空間内で可動的に配置され、前記複数の電極は基板上にそれぞれ設けられ、板状部材の導電体層とほぼ対向している構成を有し、前記板状部材が前記支点部材を中心として静電引力により傾斜変位することにより、光反射領域に入射する光束が反射方向を変えて光偏向を行う光偏向装置において、前記板状部材と対向する前記ストッパの任意の部位を、硬質層で構成することを特徴とする光偏向装置。
  7. 請求項6記載の光偏向装置において、前記硬質層は窒化シリコン膜であることを特徴とする光偏向装置。
  8. 請求項6記載の光偏向装置において、前記硬質層は窒化チタン膜であることを特徴とする光偏向装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の光偏向装置を、複数1次元または2次元アレー状に配置したことを特徴とする光偏向アレー。
  10. 請求項9記載の光偏向アレーを有し、該光偏向アレーを照明する光源を有し、該光偏向アレーからの反射光を色情報に応じて投影する投影レンズを有することを特徴とする光学システム。
  11. 請求項10記載の光学システムを投影光学システムとして用いることを特徴とする画像投影表示装置。
  12. 請求項10記載の光学システムを光書込みユニットとして用いることを特徴とする画像形成装置。
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