JP2007156254A - 光スイッチング素子・光スイッチングデバイス・複数波長光スイッチング素子・複数波長光スイッチングデバイス・カラー光スイッチング素子・カラー光スイッチングデバイス・光スイッチング素子アレイ・複数波長光スイッチング素子アレイ・カラー光スイッチング素子アレイ・画像表示装置・複数色画像表示装置およびカラー画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子と光の波長によるアノマリー現象を原理的に利用した、従来にない新規な光スイッチング素子を実現する。
【解決手段】光スイッチング素子１は、厚み部分が導波層として機能し、厚み方向の一方の面は全反射面として機能し、他方の面は微細な凹凸による微細周期構造が形成され、上記他方の面から入射する光のうち、特定波長成分を共鳴反射させる共鳴反射素子１１と、この共鳴反射素子１１の形状および／または屈折率を変化させて、共鳴反射の共鳴波長を変化させる駆動手段１２、１４を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光スイッチング素子・光スイッチングデバイス・複数波長光スイッチング素子・複数波長光スイッチングデバイス・カラー光スイッチング素子・カラー光スイッチングデバイス・光スイッチング素子アレイ・複数波長光スイッチング素子アレイ・カラー光スイッチング素子アレイ・画像表示装置・複数色画像表示装置およびカラー画像表示装置に関する。

光のオン・オフを行う光スイッチング素子やこれをアレイ配列した光スイッチング素子アレイは光通信やプロジェクタ等の画像表示装置の分野において広く用いられている。

光スイッチングを行う素子としては、従来、液晶を利用するものやマイクロミラーを用いるものが広く知られている他、特許文献１には「反射性のミラーと半透過性のミラーを用いて光を制御する干渉型の光スイッチングデバイス」が提案されている。これは、反射性ミラーと半透過性ミラーの距離を変化させ、光の干渉効果を用いてスイッチングを行ううものである。
ところで、非特許文献１に「帯域の狭い反射型の波長フィルタ」が報告されている。

特開２００２−２８７０４７ Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ ａｎｄ Ｓ．Ｓ．Ｗａｎｇ， Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒｓ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．３４， Ｎｏ．３５，８１０６（１９９５）

この発明は、非特許文献１に報告されている「回折格子と光の波長によるアノマリー現象」を原理的に利用した、従来にない新規な光スイッチング素子を実現し、かかる光スイッチング素子を用いて、新たな、光スイッチングデバイスや画像表示装置、カラー画像表示装置等を実現することを課題とする。

この発明の光スイッチング素子は、共鳴反射素子と、駆動手段とを有する。
「共鳴反射素子」は、厚み部分が導波層として機能し、厚み方向の一方の面は全反射面として機能し、他方の面は微細な凹凸による微細周期構造が形成され、「他方の面」から入射する光のうち、特定波長成分を共鳴反射させる素子である。

上記「微細な凹凸による微細周期構造」は、凹凸の周期が「使用波長と同等程度かそれ以下の大きさ」であり、この微細周期構造が形成された面から入射する光は、微細周期構造で回折し、導波層として機能する厚み部分を導波し、上記一方の面に達して全反射するが、導波層内を全反射で伝播する光波の伝播定数が、微細周期構造の格子による格子ベクトルと一致すると強い共鳴を起こして強い反射光となる。これが「共鳴反射」として知られる現象である。

従って、微細な凹凸による微細周期構造は「共鳴反射を惹起できるもの」であれば良く、具体的な形態としては特に制限がない。微細周期構造としては後述する１次元格子状のものや、２次元格子状のもの、あるいは同心円状のもの等が可能であり、「凹凸の断面形状」も後述する「矩形波波状」のもののほか、三角波状のものや正弦波状のもの「台形形状の繰り返し」等でもよい。

「共鳴反射」する光の波長は、共鳴反射素子の素材・形状に応じて定まり、上記の如く、光源から放射されて「他方の面」から入射する光のうち、特定波長成分（共鳴波長）の光が共鳴反射されるのである。
「駆動手段」は、共鳴反射素子の形状および／または屈折率を変化させて、共鳴反射の共鳴波長を変化させる手段である。

例えば、共鳴反射素子の屈折率を変化させると、導波層として機能する厚み部分の「光学的厚さ（屈折率と機械的厚さの積）」が変化するので、導波層部分で定常波を構成する全反射光の波長が変化し、共鳴波長がシフトする。また、共鳴反射素子の形状を変化させる場合には、例えば、微細周期構造の格子周期を変化させて、微細周期構造の光学的機能を変化させることができ、この光学的機能の変化により、共鳴波長をシフトさせることができる。共鳴波長のシフトには上記「屈折率変化と形状変化とを同時に利用する」こともできる。

請求項１記載の光スイッチング素子における共鳴反射素子は「基板上に薄膜状に形成」されていることができる（請求項２）。
請求項１または２記載の光スイッチング素子における共鳴反射素子の微細な凹凸による微細周期構造は「透明保護層で被覆」されていることが好ましい（請求項３）。透明保護層により、微細周期構造の微細な凹凸が外力により損なわれるのを有効に防止できるからである。勿論、この透明保護層は、共鳴反射素子とは屈折率の異なる材料で構成される。

請求項１または２または３記載の光スイッチング素子における駆動手段は「電界、磁界、熱、機械力の１以上」を共鳴反射素子に作用させて、共鳴反射素子の「屈折率及び／または形状」を変化させるものであることができる。

電界や磁界の作用により屈折率を変化させる場合は、共鳴反射素子の素材として電気光学効果や磁気光学効果を有する公知材料のうち適宜のものを用いればよく、電界や磁界の作用により形状を変化させる場合は、共鳴反射素子の素材として電歪素子や磁歪素子の材料として公知の適宜のものを用いればよい。

また、熱の作用によっても共鳴反射素子の屈折率変化や（熱膨張による）形状変化を生じさせることができるし、反射共鳴素子に圧電素子や磁歪素子による機械力を作用させて形状を変化させてもよい。

一般には、共鳴反射素子の形状が変化すれば、密度の変化により屈折率が変化するし、逆に屈折率の変化にも体積変化等による形状変化が伴うことが多い。従って、共鳴反射素子に電界、磁界、熱、機械力の１以上を作用させた場合、屈折率変化のみ、あるいは形状変化のみが生じるのはむしろまれであり、従って、上記の如く、共鳴波長のシフトに「屈折率変化と形状変化とを同時に利用する」こともできるのであるが、実際上の観点からすれば、駆動手段が、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させて「共鳴反射素子における屈折率を主として変化させる」ようにするか（請求項５）、「共鳴反射素子における形状を主として変化させる」ようにする（請求項６）のが好適である。

請求項４または５または６記載の光スイッチング素子において、駆動手段が共鳴反射素子に「電界、磁界、熱、機械力の１以上を作用させる方向」は、共鳴反射素子の厚み方向に直交する方向であってもよいし（請求項７）、共鳴反射素子の厚み方向であっても良い（請求項８）。

上に説明した請求項１〜８の光スイッチング素子は、反射光をオン・オフさせる反射型の光スイッチング素子としても良いが、透過型としてもよい（請求項９）。

請求項１０記載の光スイッチングデバイスは、請求項１〜９の任意の１に記載の光スイッチング素子と光源とを有し、駆動手段により「共鳴波長を、光源の発光波長域の内外に変化させることにより、光スイッチング素子を介して取り出される光を点滅できる」ように構成されたことを特徴とする。

例えば、光スイッチング素子が透過型のもの（請求項９）であり、駆動手段による駆動が行われない状態において、共鳴波長が「光源の発光波長域」に含まれると、光源から放射される発光波長域の光のうち、共鳴波長に近い波長成分の光（特定波長成分）は反射共鳴素子により共鳴反射される。
共鳴反射素子を駆動手段により駆動して、共鳴波長を「光源の発光波長域外」にシフトさせると、光源から入射する光は共鳴反射素子を透過する。
光源の発光波長域が上記特定波長を含む狭い領域のものであれば、上記の如くして、光源からの光は実質的に光スイッチング素子によりオン・オフされる。

請求項１１記載の複数波長光スイッチング素子は、透過型（請求項９）で「駆動手段による変化前後の共鳴波長が相互に異なる２以上の光スイッチング素子」を、光の透過方向に重ねるように配設して個々の光スイッチング素子を独立して駆動可能とし、各光スイッチング素子が、他の光スイッチング素子の「駆動手段による変化前後の共鳴波長の光を透過させる」ように構成されたことを特徴とする。

例えば、２つの光スイッチング素子を光の透過方向に重ねて配設した場合において、一方の光スイッチング素子がＡ色光をオン（透過）・オフ（遮断）でき、他方の光スイッチング素子がＢ色光をオン・オフできるものとすると、各光スイッチング素子は「他の光スイッチング素子の駆動手段による変化前後の共鳴波長の光を透過させる」ので、Ａ色光源からのＡ色光と、Ｂ色光源からのＢ色光を合成して、複数色光スイッチング素子に入射させるようにすれば、各光スイッチング素子を独立に制御することにより、透過光を「Ａ色光、Ｂ色光、Ａ＋Ｂ色光の３種」に切り替えることができ、また「Ａ、Ｂ何れの色の光も透過させない」ようにすることができる。

請求項１１記載の複数波長光スイッチング素子において、光の透過方向に重ねて配置される光スイッチング素子を３以上とし、各光スイッチング素子の共鳴波長を「所望の色の光を表示できる値」に設定したものが、請求項１２記載のカラー光スイッチング素子である。

請求項１３記載の複数色光スイッチングデバイスは、請求項１１記載の複数波長光スイッチング素子と、この複数波長光スイッチング素子を構成する透過型の光スイッチング素子数と同数個の光源とを有する。
複数個の光源は発光波長域が互いに異なり、各光源はこの光源に対応する光スイッチング素子を有し、この光スイッチング素子は「駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方が、対応する光源の発光波長域内」にあり、各光スイッチング素子の共鳴波長を、対応する駆動手段により「対応する光源の発光波長域の内外に変化させる」ことにより、複数波長光スイッチング素子を介して、複数色の光を取り出し得るように構成されている。

請求項１４記載のカラー光スイッチングデバイスは、請求項１２記載のカラー光スイッチング素子と、このカラー光スイッチング素子を構成する透過型の光スイッチング素子と同数個の光源とを有し、複数の光源は発光波長域が互いに異なり、かつ「これら波長の組み合わせにより所望の色を構成できる」ように組み合わせられ、各光源はこの光源に対応する光スイッチング素子を有し、この光スイッチング素子は、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方が、対応する光源の発光波長域内にあり、各光スイッチング素子の共鳴波長を対応する駆動手段により「対応する光源の発光波長域の内外に変化」させることにより、カラー光スイッチング素子を介して所望の色の光を取り出し得るように構成されたものである。

上に説明した光スイッチングデバイス・複数波長光スイッチングデバイス・カラー光スイッチングデバイスで用いられる光源は、例えば、「白色光源の分光スペクトルを適当なフィルタにより帯域制限したもの」を用いることもできるが、現実的なものとしてはＬＥＤ、特にＬＤが好適である。

請求項１５記載の光スイッチング素子アレイは、請求項１〜９の任意の１に記載の光スイッチング素子で「同一種類の複数の素子」を１次元もしくは２次元にアレイ配列し、各光スイッチング素子を独立して駆動可能としたことを特徴とする。

請求項１６記載の画像表示装置は、請求項１５記載の光スイッチング素子アレイと、光源手段とを有する。
「光源手段」は、光スイッチング素子アレイを構成する光スイッチング素子の、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方を発光波長域に含む光を光スイッチング素子アレイの各光スイッチング素子に照射する手段である。

この画像表示装置によれば、光スイッチング素子によりオン・オフできる波長の光によるモノクロームの１次元画像もしくは２次元画像を表示できる。

請求項１７記載の複数波長光スイッチング素子アレイは、請求項１１記載の複数波長光スイッチング素子で「同一種類の複数の素子」を１次元もしくは２次元にアレイ配列し、各複数波長光スイッチング素子を独立して駆動可能としたことを特徴とする。

請求項１８記載の複数色画像表示装置は、請求項１７記載の複数波長光スイッチング素子アレイと、複数波長光源手段とを有する。
「複数波長光源手段」は、複数波長光スイッチング素子アレイを構成する各光スイッチング素子の、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方を発光波長域に含む光を複数波長光スイッチング素子アレイの各複数波長光スイッチング素子に照射する手段である。

この複数色画像表示装置によれば、複数波長光スイッチング素子によりオン・オフできる波長の光による「複数色の１次元画像もしくは２次元画像」を表示できる。

請求項１９記載のカラー光スイッチング素子アレイは、請求項１２記載のカラー光スイッチング素子で「同一種類の複数の素子」を１次元もしくは２次元にアレイ配列し、各カラー光スイッチング素子を独立して駆動可能としたことを特徴とする。

請求項２０のカラー画像表示装置は、請求項１９のカラー光スイッチング素子アレイと、カラー光源手段とを有する。
「カラー光源手段」は、カラー光スイッチング素子アレイを構成する各光スイッチング素子の、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方を発光波長域に含む光をカラー光スイッチング素子アレイの各カラー光スイッチング素子に照射する手段である。

このカラー画像表示装置によれば、カラー光スイッチング素子によりオン・オフできる波長の光により「カラーの１次元画像もしくは２次元画像」を表示できる。

若干補足すると、請求項１５記載の光スイッチング素子アレイでは、請求項１〜９の任意の１に記載の光スイッチング素子で「同一種類の複数の素子」を１次元もしくは２次元にアレイ配列し、各光スイッチング素子を独立して駆動可能とするものであるが、この場合、１次元もしくは２次元にアレイ配列される光スイッチング素子は、一つ一つが独立した光スイッチング素子をアレイ配列して構成してもよいが、アレイ配列される全部の光スイッチング素子を一体としてアレイ状にモノリシックに形成してもよい。

あるいは、複数個ずつの光スイッチング素子のグループを、一体として１次元もしくは２次元のアレイ状に形成し、このような光スイッチング素子のグループを２以上組み合わせて所望のアレイ配列を実現するようにしてもよい。これらの場合、各光スイッチング素子の共鳴反射素子を駆動する駆動手段も、共鳴反射素子のアレイと共に配列形成される。

同様に、請求項１７の複数波長光スイッチング素子アレイや、請求項１９のカラー光スイッチング素子アレイにおいても、互いに独立した複数波長光スイッチング素子あるいはカラー光スイッチング素子をアレイ配列して構成してもよいが、アレイ配列される全部の複数波長光スイッチング素子やカラー光スイッチング素子を一体としてアレイ状に形成してもよい。

あるいは、複数個ずつの複数波長光スイッチング素子やカラー光スイッチング素子のグループを、一体として１次元もしくは２次元のアレイ状に形成し、このようなグループを２以上組み合わせて所望のアレイ配列を実現するようにしてもよい。これらの場合、各素子の共鳴反射素子を駆動する駆動手段も、共鳴反射素子のアレイと共に配列形成される。

また、複数波長光スイッチング素子アレイや、カラー光スイッチング素子アレイでは、個々の複数波長光スイッチング素子やカラー光スイッチング素子において、複数の光スイッチング素子が光の透過方向に重ねて配列されるのであるから、複数波長光スイッチング素子アレイや、カラー光スイッチング素子アレイでは、光スイッチング素子アレイが、光透過方向に２層以上に重ねて配列されることになる。

このような構成において、各層を構成する光スイッチング素子アレイを、上記の如く、アレイ配列される全部の光スイッチング素子を一体としてアレイ状に形成してもよく、また、複数個ずつの光スイッチング素子のグループを、一体として１次元もしくは２次元のアレイ状に形成し、このようなグループを２以上組み合わせて所望のアレイ配列を実現するようにしてもよい。

なお、複数波長光スイッチング素子を構成する複数種の光スイッチング素子を、光透過方向へ配列するのに換えて、これらを互いに同一平面状にアレイ配列してもよい。同様に、カラー光スイッチング素子を構成する複数種の光スイッチング素子を、光透過方向へ配列するのに換えて、これらを互いに同一平面状にアレイ配列してもよい。即ち、この場合、カラー画像の１画素が、平面状に配列される複数種の光スイッチング素子で構成されることになる。

上記の如く、複数波長光スイッチング素子や複数波長光スイッチング素子アレイは、カラー光スイッチング素子やカラー光スイッチング素子アレイを含む概念であり、複数色画像表示装置はカラー画像表示装置を含む概念である。

光スイッチング素子における駆動手段は「電界、磁界、熱、機械力の１以上」を共鳴反射素子に作用させて、共鳴反射素子の屈折率及び／または形状を変化させるものであることができるが、これらのうちで、電界や磁界の作用により屈折率を変化させるものや、電界・磁界の作用により形状を変化させるものは応答の速度が大きく、高速の光スイッチングが可能である点で好ましい。

例えば、共鳴反射素子の材料として、電圧の印加で屈折率が大きく変化する「電気光学効果を有する材料」を用いる場合、駆動電圧に対する屈折率変化の応答は非常に高速であり、機械的な動作がない構造にできる。このため、非常に高速かつ安定したオン・オフが可能な光スイッチング素子を実現できる。

また、共鳴反射素子の形状（凹凸による微細周期構造や厚み部分の形状やサイズ）を変化させることによって光学特性を変化させる場合には、共鳴反射素子として「電圧の印加により静電気力や電歪効果などにより形状を変える」材料を用いることができ、静電気力や電歪効果による微小な変形は、液晶などに比較して応答速度を速くすることが可能であり、簡易かつ高速にオン・オフ可能な光スイッチング素子を実現できる。

以上に説明したように、この発明によれば、新規な光スイッチング素子や、これを用いた光スイッチングデバイス、カラー画像表示装置等を実現できる。
特に、請求項２０のカラー画像表示装置では、表示すべきカラー画像の１画素を構成するカラー光スイッチング素子において、３種以上の光スイッチング素子が光透過方向に重なるように配置されるので、光透過方向から見た場合、カラーの１画素を「単一のカラー光スイッチング素子」で構成できる。

従来、液晶光スイッチング素子アレイでカラー画像を表示する場合には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３枚の「液晶パネル（２次元の液晶光スイッチング素子アレイ）」を用い、各色画像を「クロスプリズムを通して合成し」カラー画像を表示している。

また、反射型のマイクロミラーの角度を制御することにより入射光のスイッチングを行うマイクロミラーアレイを用いる場合、時間により変化するカラーフィルタとマイクロミラーのタイミングを合わせることによりカラー画像の表示を行っている。

干渉型の光スイッチング素子を用いるカラー画像表示においても、３原色の光スイッチングをするためには、マイクロミラーのときと同様にカラーフィルタを用い、各色に合わせて変化させる移動距離を３種類用意し、光のオン・オフを半透過性ミラーの位置を変えることにより行う。

液晶光スイッチング素子アレイを用いた従来のカラー画像表示方式では、応答速度の高速なものが得られておらず、３原色の光を３方向から照射し、クロスプリズムで合成する必要があるため、小型化、薄型化は困難である。

マイクロミラーアレイを用いるカラー画像表示の場合も、時分割で各色の光量を調整するため、通常の数倍、理論的には最低３倍の高速応答が必要となってしまう。またカラーフィルタを使用するため、機械的動作のためのモータなどのスペースが必要となり、フィルタで他の色をカットすることによる光の利用効率の低下も生じる。

干渉型の光スイッチング素子アレイを用いるカラー画像表示の場合も、液晶光スイッチング素子アレイのものと同様、３原色の光を３方向から照射してクロスプリズムでする合成する構成では小型化、薄型化が困難である。

これに対し、この発明の「請求項２０のカラー画像表示装置」は、上記の如く、光透過方向から見た場合、カラーの１画素を単一の光スイッチング素子で構成できるため、画素密度が高く、また、１つのカラー画素を構成することになる複数種の光スイッチング素子を、光透過方向に近接して配列可能であるため、カラー画像表示装置を小型化・薄型化でき、光スイッチング素子のスイッチングの応答速度も大きくできるため、カラー画像を高速で変化させることができる。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、光スイッチング素子の実施の１形態を説明するための図である。
図１(ａ)において、符号１は光スイッチング素子、符号１１は共鳴反射素子、符号１２は駆動素子、符号１３は透明基板、符号１４は駆動回路、符号１５は透明保護層、各矢印は「波長：λ１の光」を示す。

共鳴反射素子１１は「透明で平行平板状」であるが、厚み部分は導波層として機能し、厚み方向の一方の面（透明基板１３との境界面）は「全反射面」として機能し、他方の面は、微細な凹凸による微細周期構造を形成されている。導波層として機能する厚み部分というのは、共鳴反射素子１１の「微細周期構造の厚さ」を除いた厚さである。

共鳴反射素子１１における「微細周期構造の断面形状」は矩形波状であるが、先にも述べたように、この断面形状は三角波状や正弦波上等、種々の形状が許容される。説明の簡単のため、上記微細周期構造は１次元的であって図の左右方向の凹凸構造となっているものとする。また、この実施の形態において、共鳴反射素子１１は透明基板１３上に「薄膜状」に形成されている。

透明保護層１５は共鳴反射素子１１とは屈折率が異なるので、微細周期構造の部分では、透明保護層１５の材料と共鳴反射素子１１の材料とにより、屈折率が図の左右方向へ微小な凹凸の周期で変化する。

駆動素子１２と駆動回路１４は「駆動手段」を構成し、駆動回路１４により駆動素子１２を駆動して、共鳴反射素子１１の形状および／または屈折率を変化させて、共鳴反射の共鳴波長を変化させる。

説明中の実施の形態では、駆動手段により共鳴反射素子１１を駆動しないときは、共鳴波長は「波長λ１を含む狭い波長領域」である。
駆動手段による共鳴反射素子１１の駆動を行わない状態（オフ状態）において、波長：λ１（を含む狭い波長領域）の光を図１（ａ）の上方から入射させる。微細周期構造の周期は波長λ１と同程度もしくはそれ以下であり、入射した光は、微細周期構造により回折し、共鳴反射素子１１の厚み部分（微細周期構造の凹部と透明基板１３との距離）を導波層として導波し、透明基板１３との境界面で全反射し、導波層内を全反射で伝播する光波の伝播定数が、微細周期構造の格子による格子ベクトルと一致すると、強い共鳴を起こし、強い反射光となる（共鳴反射）。

換言すれば、光スイッチング素子１は、共鳴反射素子１１の材料や「導波層の厚み」、「微細周期構造の周期」、「透明保護層や透明基板の材質」等を調整することにより「駆動手段により駆動を行わないオフ状態において使用波長：λ１の光を共鳴反射する」ように構成されているのである。

図１（ｂ）において、実線は、このときの透過率の状態を示している。
駆動回路１４により駆動素子１２を駆動して、共鳴反射素子１１の屈折率および／または形状を変化させる（オン状態）と、図１（ｂ）に示すように、共鳴反射を起こす共鳴波長が、駆動前の波長：λ１からシフトして波長：λ２になる。
オン状態では、共鳴反射素子１１に入射する波長：λ１の光は、光スイッチング素子１を高い透過率で透過する。

図１（ａ）において、光スイッチング素子１の上側にある２つ矢印は、駆動手段による駆動前のオフ状態において入射する波長：λ１の光が共鳴反射する状態を示している。また、光スイッチング素子１の下側にある矢印は、駆動手段による駆動が行われたオン状態において、共鳴波長が波長：λ２にシフトしたことに伴い、入射する波長：λ１の光が高い透過率で光スイッチング素子１を透過する状態を示している。

このように、駆動手段による駆動のオン・オフにより、共鳴波長を波長：λ１、λ２の間でシフトさせることにより、波長：λ１の光の透過もしくは反射をオン・オフして光スイッチングを行うことができる。

例えば、透過光の場合であれば、波長：λ１の光が透過する状況を「オン」、透過しない状況を「オフ」とすれば、駆動手段による駆動状態を「オン」、駆動しない状態を「オフ」として、駆動手段によるオン・オフにより透過光をオン・オフする光スイッチングが実行される。

図１に即して上に実施の形態の形態を説明した光スイッチング素子１は、厚み部分が導波層として機能し、厚み方向の一方の面は全反射面として機能し、他方の面は微細な凹凸による微細周期構造が形成され、他方の面（図の上方の面）から入射する光のうち、特定波長成分：λ１を共鳴反射させる共鳴反射素子１１と、この共鳴反射素子１１の形状および／または屈折率を変化させて、共鳴反射の共鳴波長を変化させる駆動手段１２、１４とを有する（請求項１）。
また、共鳴反射素子１１は基板１３上に薄膜状に形成され（請求項２）、共鳴反射素子１１の微細周期構造が透明保護層１５で被覆されている（請求項３）。

駆動手段１２、１４は、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子１１に作用させて、共鳴反射素子の屈折率及び／または形状を変化させることができる（請求項４）が、駆動手段が、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させて「共鳴反射素子１１における屈折率を主として変化させる」構成とすることもできるし（請求項５）、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させて「共鳴反射素子１１における形状を主として変化させる」こともできる。

また、図１の実施の形態においては、駆動手段１２、１４が、共鳴反射素子１１の厚み方向に直交する方向（図の左右方向）から駆動を行うようになっている。例えば、駆動方法として「電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させる」場合であれば、これら「電界、磁界、熱、機械力の１以上」は、図２（ａ）の左右方向から共鳴反射素子１１に作用される（請求項７）。
また、図１の光スイッチング素子１は「透過型」である（請求項９）。

図２は、図１の光スイッチング素子１を用いた光スイッチングデバイス（請求項１０）の実施の１形態を概念的に説明するための図である。
図２（ａ）において、符号１１は共鳴反射素子、符号２０は駆動手段を示す。駆動手段２０は、図１における駆動素子１２と駆動回路１４をまとめて示している。

光源２は、ＬＤあるいはＬＥＤであり「狭い波長範囲の光」を放射する。
図２（ｂ）は、光源２における分光発光強度と、共鳴反射素子１１の「駆動されていないオフ状態」における分光透過率を示している。光源２は、符号２−１で示すような分光発光強度を示し、共鳴反射素子１１は駆動手段２０により駆動されないオフ状態においては符号１−１で示すような分光透過率特性を示す。

図２（ｂ）に示すように、駆動手段２０により駆動されていないオフ状態の共鳴反射素子１１の分光透過率１−１は、光源２の分光発光強度２−１の発光波長域と実質的に重なっており、従って、オフ状態の共鳴反射素子１１は、光源２からの入射光の大部分を共鳴反射させる。従って、共鳴反射素子１１を透過する光は極めて小さい。

図２（ｃ）は、共鳴反射素子１１を駆動手段２０により駆動して、共鳴波長をシフトさせたオン状態である。オン状態にある共鳴反射素子の分光透過率１−２は、光源２の発光波長域では一定で高い値を有しているから、オン状態にある共鳴反射素子１１は光源２から入射する光の実質的に全てを透過させる。

従って、駆動手段２０により共鳴反射素子１１をオン・オフ駆動することにより、共鳴反射素子１１を透過する光をオン・オフできる。
なお、上の光スイッチングデバイスにおいて、共鳴反射素子１１による反射光を出力光とする場合であれば、上記のオン状態・オフ状態に応じて、反射出力光はオフ状態・オン状態となる。

図３は、カラー光スイッチングデバイス（請求項１４）の実施の１形態を概念的に示している。
図において、符号１１Ｂ、符号１１Ｇ、符号１１Ｒは共鳴反射素子を示している。共鳴反射素子１１Ｂは駆動手段２０Ｂにより駆動され、共鳴反射素子１１Ｇは駆動手段２０Ｇにより駆動され、共鳴反射素子１１Ｒは駆動手段２０Ｒにより駆動される。
即ち、これら各共鳴反射素子とこれを駆動する各駆動手段とは光スイッチング素子を構成し、３個の光スイッチング素子が光透過方向（図３の上下方向）へ重ねて配置され、カラー光スイッチング素子を構成している。

符号１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは光源を示している。光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは互いに発光波長域が異なり、これら発光波長域は相互に重なっていない。光源１０Ｒは赤色光を放射し、光源１０Ｇは緑色光を放射し、光源１０Ｂは青色光を放射する。

光源１０Ｒから放射される赤色光はミラーＭＲにより反射され、ダイクロイックミラーＤＭＧ、ＤＭＢを透過し、ミラーＭにより反射される。光源１０Ｇから放射される緑色光はダイクロイックミラーＤＭＧにより反射され、ダイクロイックミラーＤＭＢを透過し、ミラーＭにより反射される。光源１０Ｂから放射される青色光はダイクロイックミラーＤＭＢにより反射されミラーＭにより反射される。

このようにして、光源１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂから放射される赤色光・緑色光・青色光が単一ビームに合成され、カラー光スイッチング素子に入射する。

共鳴反射素子１１Ｂは、駆動手段２０Ｂにより駆動されないオフ状態において、入射する光のうち光源１０Ｂからの青色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過するように共鳴波長が設定されている。共鳴反射素子１１Ｇは、駆動手段２０Ｇにより駆動されないオフ状態において、入射する光のうち光源１０Ｇからの緑色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過するように共鳴波長が設定されている。共鳴反射素子１１Ｒは、駆動手段２０Ｒにより駆動されないオフ状態において、入射する光のうち光源１０Ｒからの赤色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過するように共鳴波長が設定されている。

即ち、図３に示されたカラー光スイッチング素子は、光の透過方向に重ねて配置される光スイッチング素子が３個であり、各光スイッチング素子の共鳴波長（共鳴波長）が、所望の色の光を表示できる値に設定されている。

各駆動手段２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒにより、対応する共鳴反射素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒを駆動して共鳴波長をシフトさせてオン状態とすると、反射共鳴素子１１Ｂは光源１０Ｂからの青色光を透過させ、反射共鳴素子１１Ｇは光源１０Ｇからの緑色光を透過させ、反射共鳴素子１１Ｒは光源１０Ｒからの赤色光を透過させる。また、このような状態において、ある１つの共鳴反射素子を透過する光は他の共鳴反射素子をも透過する。

従って、各駆動手段２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒにより対応する共鳴反射素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒをオン・オフ駆動すると、各光スイッチング素子のオン・オフにより、カラー光スイッチング素子を透過する光は以下の如くになる。以下において、Ｒにより赤色光、Ｇにより緑色光、Ｂにより青色光を表す。
共鳴反射素子 駆動状態
共鳴反射素子１１Ｂ オン オン オン オン オフ オフ オフ オフ
共鳴反射素子１１Ｇ オン オン オフ オフ オン オン オフ オフ
共鳴反射素子１１Ｒ オン オフ オン オフ オン オフ オン オフ
透過光 Ｒ＋Ｇ＋Ｂ Ｂ＋Ｇ Ｂ＋Ｒ Ｂ Ｇ＋Ｒ Ｇ Ｒ なし
透過光の色 白 黄 紫 青 燈 緑 赤 黒
従って、可視領域のカラー光を透過光として表示できる。

即ち、図３のカラー光スイッチデバイスは、カラー光スイッチング素子と、このカラー光スイッチング素子１１Ｂ、２０Ｂ、１１Ｇ、２０Ｇ、１１Ｒ、２０Ｒを構成する透過型の光スイッチング素子数と同数個の光源１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒとを有し、複数の光源は発光波長域が互いに異なり、かつ、これら波長の組み合わせにより所望の色を構成できるように組み合わせられ、各光源はこの光源に対応する光スイッチング素子を有し、この光スイッチング素子は駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方が、対応する光源の発光波長域内にあり、各光スイッチング素子の共鳴波長を、対応する駆動手段により「対応する光源の発光波長域の内外に変化させる」ことにより、カラー光スイッチング素子を介して、所望の色の光を取り出し得るように構成されたもの（請求項１４）である。

また、共鳴反射素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの何れとも「共鳴波長の異なる他の共鳴反射素子」を用いる光スイッチング素子を更に加えると共に、この加えられた光スイッチング素子の共鳴波長の光を放射する光源を更に付加えることによりカラー透過光の色をより精細に変化させることができる。

逆に、図３のカラー光スイッチング素子を構成する３つの光スイッチング素子のうち１つを除き、除いた光スイッチング素子に対応する光源を除き、２つの光スイッチング素子と２つの光源とでスイッチングデバイスを構成した場合、上記の如きカラー光を表示することはできないが、複数色の光を表示できる。即ち、このようなスイッチングデバイスは請求項１３の複数波長光スイッチングデバイスの１例を構成する。

図４は、図１（ａ）に示した光スイッチング素子の駆動回路１４を除く部分を示している。共鳴反射素子１１の光学特性である「共鳴波長」は、共鳴反射素子１１、透明基板１３、透明保護層１５の各材料の物性要因（屈折率）、共鳴反射素子１１の形状要因により定まる。形状要因は、共鳴反射素子１１の図で上方の面に形成された微細周期構造の厚さ：ｔ２、導波層として機能する厚み部分の厚み：ｔ１、微細周期構造のピッチ：Λと凸部幅：Ｗの比：ｆ＝Ｗ／Λで定義される「フィルファクタ：ｆ」により定まる。

従って、共鳴反射素子１１、透明基板１３、透明保護層１５の材料が定まれば、上記光
学特性（駆動手段により駆動しないときの共鳴波長）は、フィルファクタ：ｆと厚み：ｔ
１、ｔ２で定まる。

以下には、図５を参照して、図４に示す如き光スイッチング素子の機能部分（駆動回路を除く部分）の製造方法を具体例に即して説明する。

図５（ａ）に示すように、表面を研磨・洗浄したサファイア基板１３の表面上にＰＬＺＴの薄膜１１Ａをスピンコート法により形成し、熱処理を行う。このようにして形成された薄膜１１Ａ上にフォトレジスト層を形成し、微細なパターニングを行って「格子状のフォトレジスト層」を形成する。

形成された「格子状のフォトレジスト層」をマスクとして、ＰＬＺＴの薄膜１１Ａを所定の深さ（上記厚み：ｔ２）までエッチングする。図５（ｂ）はエッチングされた状態を示している。ついで、エッチングにより形成された「微細な凹凸の微細周期構造」の上に透明保護層１５を形成する。例えば、アクリル製の紫外線硬化型樹脂を微細周期構造の上に塗布して平坦化し、樹脂を微細周期構造の凹部に均一に行き渡らせた後、紫外線を照射して硬化させる。樹脂が、微細周期構造の凹部に入り込み易くするため、紫外線硬化型樹脂の粘度は１０ｃＰ以下であることが好ましい。

次に、駆動素子となる電極１２を形成する。

電極１２を形成する部分を除いて、透明保護層１５の表面にフォトレジスト層のパターンをパターニングし、このフォトレジスト層をマスクとして、露呈しているＰＬＺＴの薄層部分をエッチングで除去する。この状態を図５（ｃ）に示す。透明基板１３の左右端部の上部がＰＬＺＴの薄層を除去された部分である。
若干補足すると、説明中の製造方法は「単一の基板にアレイ配列した共鳴反射素子とその駆動素子を形成する」ことを想定しており、実際には、図５の状態が「図の前後左右方向」に広がりをもって繰り返される。従って上に説明した「ＰＬＺＴの薄層を除去された部分」は溝状である。

この状態で、マスクとなったフォトレジスト層を残したまま、電極用金属の蒸着を行い上記「ＰＬＺＴの薄層を除去した溝状の部分」に電極用金属を充填して電極１２を形成し、その後、透明保護層１５上のフォトレジストパターン部分を除去することにより、図５（ｄ）に示す如く「光スイッチング素子の機能部分」が得られる。

微細な凹凸の微細周期構造をエッチングで形成するためにＰＬＺＴの薄層１１Ａの上に形成される「格子状のフォトレジスト層」のパターニングは、ステッパを用いた「露光」、ＥＢを用いた「電子ビーム描画」、「集光ビームによる走査露光」等が可能であるが、後述する光スイッチング素子アレイを「大面積の単板にモノリシックに形成する場合」に生産性に優れたパターニング法として、２光束干渉による露光方法（以下、「２光束干渉露光」という。）が好適である。

即ち、図５（ｅ）に示すように、波長：λの単色光Ｌ１、Ｌ２を互いに「２θの角」をなしてフォトレジスト層ＰＲ上で干渉させると「干渉により発生する格子状の干渉縞」の周期：Ｐは「Ｐ＝λ／（ｓｉｎθ）」となるので、波長：λに応じて２光束のなす角：２θを、Ｐ＝Λとなるように調整することにより、所望の周期：Λをもった格子状のフォトレジスト層を得ることができる。この格子状のフォトレジスト層をマスクとしてエッチングを行い、微細周期構造を得るが、微細周期構造におけるフィルファクタ：ｆを調整するには２光束干渉露光の際に露光強度を調整すればよい。

上に説明したＰＬＺＴの薄膜１１Ａに形成する微細周期構造の凹凸の深さ（前記厚み：ｔ２）が小さい場合には、上記の如く、格子状のフォトレジスト層をマスクとしてエッチングすればよいが、上記凹凸の深さが深い場合には、フォトレジスト層をマスクとして金属薄膜を蒸着し、フォトレジスト層を除去した後、薄層１１Ａ上に形成されている格子状の金属パターンをマスクとしたエッチングを行うことができる。

図６は、カラー画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。
図６（ａ）は、カラー光スイッチング素子アレイの一部をなす光スイッチング素子アレイの一つを説明図的に示している。例として描かれた光スイッチング素子アレイ６１Ｒは、単一の透明基板に、多数の共鳴反射素子６１０が２次元的にアレイ配列して形成されている。各共鳴反射素子６１０は駆動素子である電極を形成され、この電極を駆動する駆動回路も透明基板上に共鳴反射素子とともに作りこまれている。従って、アレイ配列した個々の共鳴反射素子６１０を独立して駆動できる。

光スイッチング素子アレイ６１Ｒにアレイ配列させて形成された多数の共鳴反射素子６１０は「同一種類」のものであり、個々の共鳴反射素子６１０は、図３に即して説明した共鳴反射素子１１Ｒのように、駆動手段により駆動されない「オフ状態」において、入射する光のうち赤色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過させるように共鳴波長が設定されている。

図６（ｂ）において、符号６１Ｇ、６１Ｂで示す光スイッチング素子アレイは、構造的には上に説明した光スイッチング素子アレイ６１Ｒと同様のものである。光スイッチング素子アレイ６１Ｇ、６１Ｂには、多数の共鳴反射素子が「光スイッチング素子アレイ６１Ａにおける共鳴反射素子６１０の配列と合同的に配列形成」されている。

光スイッチング素子アレイ６１Ｇにおいて配列形成されている各共鳴反射素子は同一種のものであり、駆動手段により駆動されないオフ状態において、入射する光のうち緑色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過させるように共鳴波長が設定されている。光スイッチング素子アレイ６１Ｂにおいて配列形成されている各共鳴反射素子は同一種のものであり、駆動手段により駆動されないオフ状態において、入射する光のうち青色光を共鳴反射し、他の波長の光を透過させるように共鳴波長が設定されている。

光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、６１Ｇ、６１Ｒは、図の如く、光の透過方向（図の上下方向）へ互いに重なり合うように配置されており、各光スイッチング素子アレイの個
々の共鳴反射素子は、他の光スイッチング素子アレイにおいて対応する位置にある共鳴反
射素子と「光の透過方向」において互いに重なりあう。

即ち、図６（ｂ）に示す、光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、６１Ｇ、６１Ｒは、カラー光スイッチング素子アレイを構成するが、このカラー光スイッチング素子アレイは、機能としては、図３に示した共鳴反射素子１１Ｂ（１１Ｇ、１１Ｒ）と駆動手段２０Ｂ（２０Ｇ、２０Ｒ）で構成される光スイッチング素子を光の透過方向へ重ねて配置したカラー光スイッチング素子を２次元にアレイ配列して、各カラー光スイッチング素子を独立して駆動可能としたもの（請求項１９）と等価である。

図２（ｂ）における符号１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒは、カラー光源手段の光源部を構成する光源であり、この実施の形態においては高出力ＬＥＤが用いられている。光源１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒは、図３の実施の形態におけるものと同様のものである。これら光源１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒから放射される青色光、緑色光、赤色光は、カップリングレンズ６２により平行光束に変換され、ホモジナイザ６３により「２次元的に強度分布を均された光束」にされてカラー光スイッチング素子アレイに入射する。

光スイッチング素子アレイ１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの各光スイッチング素子がオフ状態（共鳴反射素子が駆動されていない状態）では、光源１０Ｂからの青色光は光スイッチング素子アレイ６１Ｂで共鳴反射されるが、光スイッチング素子アレイ１０Ｇ、１０Ｒは透過する。また、光源１０Ｇからの緑色光は光スイッチング素子アレイ６１Ｇで共鳴反射されるが、光スイッチング素子アレイ１０Ｂ、１０Ｒは透過し、光源１０Ｒからの赤色光は光スイッチング素子アレイ６１Ｒで共鳴反射されるが、光スイッチング素子アレイ１０Ｇ、１０Ｂは透過する。

そして、光スイッチング素子アレイ６１Ｂの各光スイッチング素子が駆動されたオン状態では、光源１０Ｂからの青色光は光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒを透過する。光スイッチング素子アレイ６１Ｇの各光スイッチング素子が駆動されたオン状態では、光源１０Ｇからの緑色光は光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒを透過する。光スイッチング素子アレイ６１Ｒの各光スイッチング素子が駆動されたオン状態では、光源１０Ｒからの赤色光は光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒを透過する。従って、カラー光スイッチング素子アレイを構成する光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、６１Ｇ、６１Ｒを、画像信号に応じて制御手段６４で駆動制御することにより透過光によるカラー画像を表示することができる。

即ち、図６（ｂ）に示すカラー画増表示装置は、光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、６１Ｇ、６１Ｒにより構成されるカラー光スイッチング素子アレイと、このカラー光スイッチング素子アレイを構成する各光スイッチング素子の、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方を発光波長域に含む光を、カラー光スイッチング素子アレイの各カラー光スイッチング素子に照射するカラー光源手段１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒ、６２、６３とを有するもの（請求項２０）である。

図６のカラー画像表示装置は、例えば「ビューファインダ」等として実施できる。また、図６（ｂ）に示した部分に、投射レンズを付加し、カラー光スイッチング素子アレイを透過したカラー画像光を、投射レンズによりスクリーン上に拡大して投射するカラープロジェクタとして実施することもできる。このようなプロジェクタは３枚の液晶パネルを用いるカラープロジェクタに比して、画像表示部が薄型かつコンパクトであり、また、共鳴反射素子の高速駆動が可能であるところから、表示画像の高速な変化に対応可能である。

以下に、具体的な例を説明する。
透明基板１３としてサファイア基板（厚さ：０．５ｍｍ）を用い、その表面に、電気光学効果を有する材料としてＰＬＺＴをスピンコート法で塗布した後熱処理して、ＰＬＺＴの薄層を形成した。

このＰＬＺＴの薄層の表面に、図５に即して説明した方法により矩形波状の断面形状を持つ１次元格子状の微細構造を形成して共鳴反射素子１１とした。形成された微細構造の厚み：ｔ２＝２０ｎｍ、ピッチ：Λ＝３２０ｎｍ、凸部の幅：Ｗ＝１６０ｎｍとした。従って、フィルファクタ：ｆ＝０．５である。

ＰＬＺＴの薄層において、導波層として機能する部分の厚み：ｔ１＝９０ｎｍとした。なお、１次元格子状の微細構造をエッチングで形成するときのマスクとなるフォトレジストのパターニングは、図５（ｅ）に即して説明した「２光束干渉露光」を用いた。

フォトレジストとしては「ｉ線系ポジ型フォトレジスト」を用い、露光用の光源として３５５ｎｍのガスレーザを用いた。透明保護層１５は、前述したように「粘度：１０ｃＰ以下に調整したアクリル系の紫外線硬化型樹脂」を塗布し、表面を平坦化して熱処理することにより形成した。

また、図５に即して説明したようにして駆動素子である電極１２を形成した。このようにして、図６（ａ）に示すように「多数の光スイッチング素子」が単一のサファイア基板上にアレイ配列し、各共鳴反射素子の電極に駆動電圧を作用させる駆動回路も素子ごとにサファイア基板上に作りこんで光スイッチング素子アレイ（図６にならって、光スイッチング素子アレイ６１Ｒとする。）を作製した。なお、１個の光スイッチング素子において「共鳴反射素子１１を駆動する電極１２の間隔」は４μｍとした。

このような光スイッチング素子アレイ６１Ｒは、光源として発光波長：６６０ｎｍ（最大発光強度に対応する波長）の赤色の高出力ＬＥＤを用いた場合、サファイア基板１３の屈折率は１．７６、共鳴反射素子１１をなすＰＬＺＴの屈折率は２．５４、透明保護層１５をなすアクリル系の紫外線硬化型樹脂の屈折率は１．５０となり、図７（ａ）に符号７−１Ｒで示す分光透過率曲線のように「波長：６６０ｎｍ付近の狭帯域」で共鳴反射を生じるが他の波長の光は略透過する（オフ状態）。

駆動素子である電極１２間に電圧を印加して共鳴反射素子１１に電界を作用させると光スイッチング素子はオン状態となる。このとき、共鳴反射素子１１を構成するＰＬＺＴにおける導波層として機能する部分（厚さ：ｔ１の部分）と、微細構造の部分で屈折率が変化する。
この屈折率変化によって共鳴波長がシフトすると、入射光の波長と共鳴反射素子１１による共鳴波長がずれ、波長：６６０ｎｍの入射光は光スイッチング素子を透過する。

図７（ａ）に符号７−２Ｒで示す曲線は、オン状態のときの共鳴反射素子による分光透過率曲線である。なお、共鳴波長のシフト量は、電極１２間に印加する電圧の増減により調整することができる。

上記と同様にして、発光波長：５７０ｎｍの緑色光を放射する高出力ＬＥＤを光源として用いる光スイッチング素子アレイ６１Ｇと、発光波長：４７０ｎｍの青色光を放射する高出力ＬＥＤを光源として用いる光スイッチング素子アレイ６１Ｂを作製した。

これら光スイッチング素子アレイ６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂは材質的には全く同じであり、相互に異なるのは微細構造のピッチ：Λ、フィルファクタ：ｆ、厚み：ｔ１のみである。これらの値を各光スイッチング素子アレイにつき以下に挙げる。

光スイッチング素子アレイ ６１Ｂ ６１Ｇ ６１Ｒ
ピッチ：Λ ２１５ｎｍ ２７０ｎｍ ３２０ｎｍ
フィルファクタ：ｆ ０．５ ０．５ ０．５
厚み：ｔ２ ２０ｎｍ ２０ｎｍ ２０ｎｍ
厚み：ｔ１ ９０ｎｍ ９０ｎｍ ９０ｎｍ 。

図７（ｂ）に光スイッチング素子アレイ６１Ｇの分光透過率を示す。図中、符号７−１Ｇで示す曲線は「オフ状態」における分光透過率であり、符号７−２Ｇで示す曲線は「オン状態」における分光透過率である。
図７（ｃ）に光スイッチング素子アレイ６１Ｂの分光透過率を示す。図中、符号７−１Ｂで示す曲線は「オフ状態」における分光透過率であり、符号７−２Ｂで示す曲線は「オン状態」における分光透過率である。
従って、このような光スイッチング素子アレイ６１Ｂ、６１Ｇ、６１Ｒと、上記各高出力ＬＥＤを光源１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒと、カップリングレンズ６２およびホモジナイザ６３を図６（ｂ）のように組み合わせることにより、良好なカラー画像表示を実現することができる。電気光学効果は、数十ＧＨｚ以上の高速応答が可能であるので、各色とも十分な光強度の階調制御を行うことができる。

若干補足すると、共鳴反射素子における光学特性を十分に変化させるのに必要とされる印加電圧は「電極１２の間の距離」により異なる。電極間距離が短く画素サイズが小さくなるほど共鳴波長シフトに必要な印加電圧を低くできるので、光スイッチング素子の動作消費電力の点からも有利である。電極間距離は、表示される画像の解像度や消費電力の上から「５μｍ以下」とすることが好ましい。

上に説明した実施例では、電極１２を各画素の両側につけて電圧印加を行っているが、電気光学材料の選択により微細周期構造の上下に透明導電性薄膜を成膜して電極とすることも可能である。

なお、凹凸による微細周期構造が１次元格子上である場合、光源としてＬＤのように直線偏光を放射するものを用いる場合には、共鳴反射素子への入射光における電界の振動方向が、格子の周期方向（図４の左右方向）に合致するように、光源と光スイッチング素子の位置関係を調整するのがよい。

光源として好適なＬＤやＬＥＤは、個体間で発光波長が「ばらつく」のが一般的であるが、上述したように、光スイッチング素子の「共鳴波長のシフト量」は、電極１２間に印加する電圧の増減により調整することができるので、これを利用して「オフ状態における共鳴波長を光源の発光波長に合致させる」ようにすることができる。

また光スイッチングによる「反射光を逃がす方法」として、入射光の入射光軸に対して光スイッチング素子を数度傾けると、透過光をそのまま直進させ、反射光を効果的に光源外に逃がし、反射光が光源に戻るのを避けることができる。

画素単位での光強度の強弱は、各画素単位をなす各光スイッチング素子「オン状態」の時間の増減により調整できる。電気光学効果などの高速な応答性能をもつ光スイッチング素子を用いれば、上記の如き光強度の強弱を高速で調整することは、明るさの階調を増やすことにつながり大きな利点となる。

光スイッチング素子の実施の１形態を説明するための図である。 図１の光スイッチング素子を用いる光スイッチングデバイスの実施の１形態を説明するための図である。 カラー光スイッチングデバイスの実施の１形態を説明するための図である。 共鳴反射素子における共鳴波長に影響するパラメータを説明するための図である。 光スイッチング素子の製造方法の１例を説明するための図である。 カラー画像表示装置の実施の１例を説明するための図である。 実施例の光スイッチング素子アレイのオン・オフ状態での分光透過率を示す図である。

符号の説明

１ 光スイッチング素子
１１ 共鳴反射素子
１２ 駆動素子
１３ 透明基板
１４ 駆動回路
１５ 透明保護層

Claims (20)

1. 厚み部分が導波層として機能し、厚み方向の一方の面は全反射面として機能し、他方の面は微細な凹凸による微細周期構造を形成され、上記他方の面から入射する光のうち、特定波長成分を共鳴反射させる共鳴反射素子と、
   この共鳴反射素子の形状および／または屈折率を変化させて、共鳴反射の共鳴波長を変化させる駆動手段とを有することを特徴とする光スイッチング素子。
2. 請求項１記載の光スイッチング素子において、
   共鳴反射素子が、基板上に、薄膜状に形成されていることを特徴とする光スイッチング素子。
3. 請求項１または２記載の光スイッチング素子において、
   共鳴反射素子の微細な凹凸による微細周期構造が、透明保護層で被覆されていることを特徴とする光スイッチング素子。
4. 請求項１または２または３記載の光スイッチング素子において、
   駆動手段が、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させて、上記共鳴反射素子の屈折率及び／または形状を変化させることを特徴とする光スイッチング素子。
5. 請求項４記載の光スイッチング素子において、
   駆動手段が、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させて、上記共鳴反射素子における屈折率を主として変化させることを特徴とする光スイッチング素子。
6. 請求項４記載の光スイッチング素子において、
   駆動手段が、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させて、上記共鳴反射素子における形状を主として変化させることを特徴とする光スイッチング素子。
7. 請求項４または５または６記載の光スイッチング素子において、
   駆動手段が、共鳴反射素子の厚み方向に直交する方向から、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させることを特徴とする光スイッチング素子。
8. 請求項４または５または６記載の光スイッチング素子において、
   駆動手段が、共鳴反射素子の厚み方向から、電界、磁界、熱、機械力の１以上を共鳴反射素子に作用させることを特徴とする光スイッチング素子。
9. 請求項１〜８の任意の１に記載の光スイッチング素子において、
   透過型であることを特徴とする光スイッチング素子。
10. 請求項１〜９の任意の１に記載の光スイッチング素子と、光源とを有し、
    駆動手段により、共鳴波長を、上記光源の発光波長域の内外に変化させることにより、上記光スイッチング素子を介して取り出される光を点滅できるように構成された光スイッチングデバイス。
11. 請求項９記載の透過型の光スイッチング素子で、駆動手段による変化前後の共鳴波長が相互に異なる２以上の光スイッチング素子を、光の透過方向に重ねるように配設して個々の光スイッチング素子を独立して駆動可能とし、
    各光スイッチング素子が、他の光スイッチング素子の上記変化前後の共鳴波長の光を透過させるように構成されたことを特徴とする複数波長光スイッチング素子。
12. 請求項１１記載の複数波長光スイッチング素子において、
    光の透過方向に重ねて配置される光スイッチング素子が３以上であり、
    各光スイッチング素子の共鳴波長が、所望の色の光を表示できる値に設定されていることを特徴とするカラー光スイッチング素子。
13. 請求項１１記載の複数波長光スイッチング素子と、この複数波長光スイッチング素子を構成する透過型の光スイッチング素子数と同数個の光源とを有し、
    上記複数の光源は発光波長域が互いに異なり、
    各光源はこの光源に対応する光スイッチング素子を有し、この光スイッチング素子は、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方が、対応する光源の発光波長域内にあり、
    各光スイッチング素子の共鳴波長を、対応する駆動手段により、上記対応する光源の発光波長域の内外に変化させることにより、上記複数波長光スイッチング素子を介して、複数色の光を取り出し得るように構成された複数色光スイッチングデバイス。
14. 請求項１２記載のカラー光スイッチング素子と、このカラー光スイッチング素子を構成する透過型の光スイッチング素子と同数個の光源とを有し、
    上記複数の光源は、発光波長域が互いに異なり、かつ、これら波長の組み合わせにより所望の色を構成できるように組み合わせられ、
    各光源はこの光源に対応する光スイッチング素子を有し、この光スイッチング素子は、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方が、対応する光源の発光波長域内にあり、
    各光スイッチング素子の共鳴波長を、対応する駆動手段により、上記対応する光源の発光波長域の内外に変化させることにより、上記カラー光スイッチング素子を介して、所望の色の光を取り出し得るように構成されたカラー光スイッチングデバイス。
15. 請求項１〜９の任意の１に記載の光スイッチング素子で同一種類の複数の素子を１次元もしくは２次元にアレイ配列し、各光スイッチング素子を独立して駆動可能としたことを特徴とする光スイッチング素子アレイ。
16. 請求項１５記載の光スイッチング素子アレイと、
    この光スイッチング素子アレイを構成する光スイッチング素子の、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方を発光波長域に含む光を上記光スイッチング素子アレイの各光スイッチング素子に照射する光源手段とを有することを特徴とする画像表示装置。
17. 請求項１１記載の複数波長光スイッチング素子で同一種類の複数の素子を１次元もしくは２次元にアレイ配列し、各複数波長光スイッチング素子を独立して駆動可能としたことを特徴とする複数波長光スイッチング素子アレイ。
18. 請求項１７記載の複数波長光スイッチング素子アレイと、
    この複数波長光スイッチング素子アレイを構成する各光スイッチング素子の、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方を発光波長域に含む光を上記複数波長光スイッチング素子アレイの各複数波長光スイッチング素子に照射する複数波長光源手段とを有することを特徴とする複数色画像表示装置。
19. 請求項１２記載のカラー光スイッチング素子で同一種類の複数の素子を１次元もしくは２次元にアレイ配列し、各カラー光スイッチング素子を独立して駆動可能としたことを特徴とするカラー光スイッチング素子アレイ。
20. 請求項１９のカラー光スイッチング素子アレイと、
    このカラー光スイッチング素子アレイを構成する各光スイッチング素子の、駆動手段による変化前後の共鳴波長の一方を発光波長域に含む光を上記カラー光スイッチング素子アレイの各カラー光スイッチング素子に照射するカラー光源手段とを有することを特徴とするカラー画像表示装置。

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