JP2008064825A - 多素子空間光変調器およびこれを備えた映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速応答で光を明暗の中間状態に変調できる多素子空間光変調器を提供する。
【解決手段】多素子空間光変調器は、画素２０中において画素２０に流れる電流の方向および／または大きさに基づいて変化する磁化の強さによって、レーザ光源から入射する光を変調して出射するものであって、画素２０中に、形状磁気異方性の異なる２種類の光変調素子１３（１３ａ，１３ｂ）を備え、一方の光変調素子１３だけが磁化反転することによって画素２０中において生成される磁化状態に対して、光の明状態と暗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、光を明暗２状態の中間状態に変調可能な空間光変調器およびこれを備えた映像表示装置に関する。

従来、空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）では、液晶を画素として用いるのが一般的である。このような一般的な液晶を用いたＳＬＭでは、例えば「１」で示す明状態と「０」で示す暗状態との間の光の階調を印加電圧の大きさにより制御している。このＳＬＭにおいては、画素サイズ（画素ピッチ）を微細化すると共に、応答を高速化することが要望されている。しかし、液晶を用いたＳＬＭでは、画素サイズ（画素ピッチ）を数μｍ以下とするような微細化が困難であると共に、印加電圧に対する応答時間が数十μｓ程度と比較的遅いという問題がある。

これに対して、画素サイズの微細化と応答時間の短縮を可能とする磁気光学ＳＬＭ（ＭＯＳＬＭ：Magneto-optic SLM)が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＭＯＳＬＭは、磁性薄膜で素子が構成されており、磁気光学効果（ファラデー効果）を利用するものである。ＭＯＳＬＭでは、磁化の向き（所定方向と、その反対方向）に対応した２状態を、印加磁界の向きにより回転させたり、圧電素子により回転させたりする。
特開２００６−８４８７１号公報（段落０００２−０００３、図５）

しかしながら、ＭＯＳＬＭでは、１画素において磁化の向きに対応した２状態をとる構造なので、１画素の光の階調が例えば「１」で示す明状態と「０」で示す暗状態との２階調（オン、オフに相当）となる。仮に、明暗の中間状態の光の階調を生み出したければ、各画素の磁化方向を時間的に変調することで各画素全体として明暗の中間状態の光の階調を生成することとなる。この場合には、ＭＯＳＬＭの高速応答性を犠牲にしなければならなくなってしまう。本来、ＭＯＳＬＭは、このような制御を企図するものではなく、これによって、その他の性能も劣化するなどの不具合が生じる可能性も考えられる。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、高速応答で光を明暗の中間状態に変調できる多素子空間光変調器およびこれを備えた映像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の多素子空間光変調器は、画素に流れる電流の方向および大きさに基づいて変化する画素中の磁化の強さによって、光源から入射する光を変調して出射する多素子空間光変調器であって、前記画素中に、２種類以上の光変調素子を備え、前記２種類以上の光変調素子は、外部磁界によって磁化が反転するときに前記外部磁界の大きさがそれぞれ異なり、前記２種類以上の光変調素子のうち全種類よりも少ない種類の光変調素子の磁化が反転することによって、前記画素中において生成される磁化状態に対して、光の明状態と暗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする。

かかる構成によれば、多素子空間光変調器では、画素中の２種類以上の光変調素子の磁化反転が生じるときの磁化特性がそれぞれ異なるので、画素に流れる電流を変化させることで、磁気光学的カー効果（magneto-optic Kerr effect）によって磁化方向が回転する光変調素子の組合せが変化する。つまり、少なくとも２種類の光変調素子の磁化方向を予め所定方向に揃えた状態を例えば光の明状態に割り当て、磁化方向が反対方向に揃った状態を例えば光の暗状態に割り当てれば、初期状態から少なくとも１種類の光変調素子の磁化方向のみが回転した状態を、光の中間状態に割り当てることができる。したがって、従来のＭＯＳＬＭのような時間変調の必要がなくなり、高速応答で光を明暗の中間状態に変調することができる。

また、請求項２に記載の多素子空間光変調器は、請求項１に記載の多素子空間光変調器において、前記２種類以上の光変調素子は、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形に構成され、前記方形の縦横比が互いに異なることを特徴とする。

かかる構成によれば、多素子空間光変調器は、２種類以上の光変調素子の形状が異なるために、形状磁気異方性が生じる。そのため、各光変調素子は、外部磁界によって磁化が反転するときの外部磁界の大きさがそれぞれ異なることとなる。ここで、光変調素子において電流が流れる方向に垂直な面の面積が例えば同じであれば、磁化反転時の外部磁界の大きさに相当する電流値等を、方形の縦横比を変化させることで容易に定めることが可能となる。この場合、滑らかな階調を実現する光変調素子を製造し易くなる。

また、請求項３に記載の多素子空間光変調器は、請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器において、前記光変調素子が、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子から構成されることを特徴とする。

かかる構成によれば、多素子空間光変調器において、光変調素子としてＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance）素子を用いた場合には、膜面に垂直に電流を流すことができるので、膜面内に電流を流すＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子と比べて構造上、空間光変調器の微細化に適している。また、光変調素子としてＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子を用いた場合には、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子と比べて、磁気抵抗変化が数倍大きくなるので信頼性を高めることができる。

また、請求項４に記載の多素子空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の多素子空間光変調器において、前記画素に流れるパルス電流または直流電流の方向および大きさを制御して、前記画素にスピン注入することによって、前記光変調素子の磁化を反転させる電流制御手段をさらに備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、多素子空間光変調器は、状態変化にスピン注入磁化反転を用いることで、状態変化に要する時間を短縮することができる。特に、強磁性層／中間層（非磁性金属層）／強磁性層からなるＧＭＲ素子や、強磁性層／中間層（絶縁体層）／強磁性層からなるＴＭＲ素子の場合には、中間層の厚さが数ｎｍ以下なので、スピン注入磁化反転に要する応答時間を数ｐｓ（ピコ秒）程度にまで短縮することが可能となる。なお、これらの素子の動作速度は、例えば１０ｎｓ程度である。

また、請求項５に記載の映像表示装置は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の多素子空間光変調器を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、映像表示装置は、光源から入射する光を多素子空間光変調器によって、高速応答で光を明暗の中間状態に変調して出射することができるので、表示される映像の画質を高めることが可能となる。この映像表示装置は、透過型でも反射型でもよく、平面的な映像のみならず立体映像を表示するものでもよい。

請求項１に記載の発明によれば、高速応答で光を明暗の中間状態に変調できる。
請求項２に記載の発明によれば、所望の性能を有した光変調素子を製造し易くなる。
請求項３に記載の発明によれば、微細化の程度や信頼性を高めることができる。
請求項４に記載の発明によれば、応答を高速化できる。
請求項５に記載の発明によれば、表示される映像の画質を向上できる。

以下、図面を参照して本発明の多素子空間光変調器および映像表示装置を実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る映像表示装置の一例を示した構成図であり、図２は、図１に示した多素子空間光変調器を模式的に示す平面図である。また、図３は、図１に示した多素子空間光変調器の動作原理を示す説明図であり、図４は、図２に示した画素を模式的に示す構成図である。

映像表示装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、スクリーン３と、偏光フィルタ４（４ａ，４ｂ）と、多素子空間光変調器１０とを備えている。本実施形態では、映像表示装置１は、反射型の表示装置であり、レーザ光源２から照射された光を、偏光フィルタ４ａを介して多素子空間光変調器１０に入射し、その反射光を、偏光フィルタ４ｂを介してスクリーン３に出射することで映像を表示する。なお、映像表示装置を透過型としてもよいことはもちろんである。

多素子空間光変調器１０は、各画素２０中において各画素２０に流れる電流の方向および大きさに基づいて変化する磁化の強さによって、レーザ光源２から入射する光を変調して出射するものである。この多素子空間光変調器１０は、図１および図２に示すように、上部電極１１と、下部電極１２と、光変調素子１３とを備えている。本実施形態では、多素子空間光変調器１０は、さらに、上部電極選択部１４と、下部電極選択部１５と、電流源１６と、電流制御手段１７とを備える構成としたが、これらの構成は、多素子空間光変調器１０と別の構成としてもよい。

上部電極１１と下部電極１２とは、光変調素子１３を駆動するために光変調素子１３上下に配設された金属や合金等からなり、平面視で互いに直交して上下にそれぞれ配設された電極である。このうち上部電極１１は、入射光が光変調素子１３に効率よく到達できるように、酸化インジウム（Indium Ti Oxide；ＩＴＯ）等の一般的な透明電極材料を用いて構成されている。また、下部電極１２は、例えば、ＴａやＣｒなどの一般的な電極用金属材料から構成される。

光変調素子１３は、例えば、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子から構成される。この光変調素子１３は、図４に示すように、形状磁気異方性の異なる２種類の光変調素子１３ａ，１３ｂを備えている。図４および図１に示すように、上部電極１１と下部電極１２の交点にある１組の光変調素子１３ａ，１３ｂから１つの画素２０が構成されている。つまり、１画素は、１組（１ペア）の光変調素子１３ａ，１３ｂにより構成される。また、本実施形態の多素子空間光変調器１０は、図２に示すように、４×４のマトリクス状に２次元配列された画素２０から構成されている。

上部電極選択部１４は、マトリクス状の複数の画素２０の中から図２に示した縦方向に配置した画素を選択し、下部電極選択部１５は、横方向に配置した画素を選択する。これら上部電極選択部１４および下部電極選択部１５によって、１個の画素２０が特定されることとなる。
電流源１６は、画素２０にパルス電流を供給するものである。なお、直流電流を供給するように構成してもよい。

電流制御手段１７は、上部電極選択部１４、下部電極選択部１５および電流源１６を制御するものである。この電流制御手段１７は、各画素２０に流れる電流の方向および大きさを制御して、各画素２０にスピン注入することによって、光変調素子１３ａ，１３ｂの磁化を反転させる。

次に、電流制御手段１７の行うスピン注入について図３を参照して説明する。光変調素子１３は、図３に示すように、固定層１０１と、中間層１０２と、反転層１０３とを備えている。ここでは、簡便のため、２種類の光変調素子１３ａ，１３ｂを区別することなく１つの光変調素子１３と表記している。

固定層１０１は、磁化方向が所定方向（左方向の矢印）に固定された層である。
中間層１０２は、固定層１０１と反転層１０３とに挟まれた中間に位置したトンネルバリヤ層である。
反転層１０３は、図３（ａ）に示すように、初期状態では、磁化方向が予め固定層１０１における向きと反対方向（右方向の矢印）に揃えられた層である。

レーザ光源２から照射された光は、様々な偏光成分を含んでいるが、偏光フィルタ４ａによって、ある方向の偏光成分だけを含むようにフィルタリングされる。このフィルタリングされた光が透明な上部電極１１を介して光変調素子１３に入射し、光変調素子１３に反射される。

図３（ａ）に示す初期状態では、例えば、電流源１６から電流が流されていない。あるいは、下部電極１２から上部電極１１の向きに電流源１６から電流が流される。この初期状態では、反射光は、反転層１０３の磁化方向（右向きの矢印）に従って偏光面を変えることがない。つまり、反射光は入射光と同じ偏光成分を有しており、偏光フィルタ４ｂ（偏光フィルタ４ａと同特性）を透過して、スクリーン３に到達して表示される。その結果、スクリーン３には、明るい映像が表示されることとなる。

一方、図３（ｂ）に示す反転状態では、例えば、上部電極１１から下部電極１２の向きに電流源１６から電流が流される。この電流によって、固定層１０１から中間層１０２を介して反転層１０３へ電子がスピンを保ったまま注入されるため、反転層１０３の磁化方向は、固定層１０１と同じ向き（左向きの矢印）となるように回転（反転）する。この反転状態では、反射光は、反転層１０３の磁化方向（左向きの矢印）に従って磁気光学的カー効果により偏光面が回転する。つまり、反射光は入射光とは異なる偏光成分を有し、偏光フィルタ４ｂを透過しないので、スクリーン３に到達できない。その結果、スクリーン３は暗くなることとなる。

電流制御手段１７は、このように光変調素子１３に流す電流の大きさや向きを変化させることで、スピン注入を行い、反転層１０３の磁化方向の向きや大きさを制御することができる。そして、光変調素子１３の光磁気カー効果によって、初期状態と反転状態（スピン注入磁化反転状態）とにそれぞれ、光の明暗２状態を割り当てることが可能である。なお、初期状態を暗状態に割り当てると共に、反転状態に明状態を割り当てるようにしてもよい。

次に、図４を参照して、多素子空間光変調器１０を構成する光変調素子１３（１３ａ，１３ｂ）の構成について説明する。図４は、図２に示した画素を模式的に示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ示している。なお、図４では、１画素の領域を示しているが多素子空間光変調器１０は、一度に各画素２０の領域が製造される。

下部電極１２の上には固定層１０１、中間層１０２および反転層１０３が積層されている。下部電極１２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガラス等の基板上に金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって、金属層を所望の形状にパターニングすることで作成する。この下部電極１２の上へ各層を積層する方法は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法やスパッタリング法を用いることができる。

固定層１０１は、磁化方向が固定された層であり、例えば、ホイスラー合金等の導電性のある強磁性体から構成される。この固定層１０１は、ＩｒＭｎなどのスピン固着層と組み合わせた２〜３層構造として構成してもよい。

中間層１０２の厚さは、スピン偏極電子がトンネルできる程度の厚さ（数ｎｍ以下）である。光変調素子１３がＣＰＰ−ＧＭＲ素子から構成される場合には、中間層１０２は、非磁性材料から構成される。非磁性材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の導電性を有した金属または合金が好ましい。このうちＣｕは、電気抵抗が小さくバリア効果が高いので特に好ましい。また、光変調素子１３がＴＭＲ素子から構成される場合には、中間層１０２は、例えば、酸化物Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁体から構成される。

反転層１０３は、磁化方向が予め固定層１０１の磁化方向と反対方向に揃えられた層である。この反転層１０３の磁化方向は、固定されておらず、スピン注入により容易に回転（反転）することができる。この反転層１０３は、磁気光学的カー効果が生じ、偏極率が比較的高い強磁性体から構成される。ここで、偏極率が低いほど磁化反転に必要な電流の値が大きくなるので偏極率は５０％以上であることが好ましい。

なお、本実施形態のように、反射型の映像表示装置１に用いる場合には、反転層１０３は、光に対する透明性が高い材料で構成されることが好ましく、前記した固定層１０１および中間層１０２は、入射光に対する反射率の大きい材料で構成されることが好ましい。また、映像表示装置を透過型とする場合には、固定層１０１、中間層１０２および反転層１０３を、光に対する透明性が高い材料で構成することが好ましい。

下部電極１２の上に、固定層１０１、中間層１０２および反転層１０３の３層構造が積層された後、フォトリソグラフィ法等によって、３層を所望の形状にパターニングして、光変調素子１３ａ，１３ｂを形成する。さらに、光変調素子１３ａ，１３ｂの間の空間を例えば、ＳｉＯ₂等の封止材で封止して、上部電極１１を積層することで、各画素２０（本実施形態では１６画素）を形成する。

光変調素子１３ａ，１３ｂは、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形に構成され、この方形の縦横比が互いに異なっている。光変調素子１３ａ，１３ｂは、図４（ａ）に示すように、この面の方形の面積が等しく、方形の形状がそれぞれ正方形および長方形である。したがって、光変調素子１３ａは、光変調素子１３ｂよりも形状磁気異方性が小さい。

光変調素子１３ａと光変調素子１３ｂとは、形状磁気異方性が異なるため、外部磁界によって磁化が反転するときに外部磁界の大きさがそれぞれ異なる（外部磁界に対する応答が異なる）。このときのそれぞれの磁化特性を図５に示す。

図５は、図４に示した光変調素子の個別の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は光変調素子の形状が正方形の場合、（ｂ）は長方形の場合をそれぞれ示している。なお、図５では、磁化特性を模式的に直線で示したが実際にはヒステリシスループを形成する曲線であり、例えば、縦軸に平行な直線部分等は、実際には所定の傾きを有している。

図５（ａ）に示すように、外部磁界Ｈ_EXを所定方向（仮に＋とする）の大きさが「Ｈ₁」の状態から徐々に小さくしていき外部磁界Ｈ_EXの向きを反対方向（仮に−とする）に反転させて大きさを徐々に大きくして大きさが「Ｈ₂」になるまでの範囲では、光変調素子１３ａは、磁化Ｊの大きさが「Ｊ₁」程度である。そして、外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₂」のときに、磁化Ｊの大きさが「Ｊ₂」程度に変化する。その後、外部磁界Ｈ_EXの大きさを「Ｈ₃」まで増加させても磁化Ｊの大きさはほぼ変わらない。つまり、外部磁界Ｈ_EXの向きを「＋」から「−」へ変化させていく場合には、光変調素子１３ａは、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₂」である。

また、外部磁界Ｈ_EXを「Ｈ₃」の状態から徐々に小さくしていき外部磁界Ｈ_EXの向きを「＋」に反転させて大きさを徐々に大きくして大きさが「Ｈ₄」になるまでの範囲では、光変調素子１３ａは、磁化Ｊの大きさはほぼ変わらない。そして、外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₄」のときに、磁化Ｊの大きさが「Ｊ₁」程度に変化する。その後、外部磁界Ｈ_EXの大きさを「Ｈ₁」まで増加させても磁化Ｊの大きさはほぼ変わらない。つまり、外部磁界Ｈ_EXの向きを「−」から「＋」へ変化させていく場合には、光変調素子１３ａは、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₄」である。

光変調素子１３ｂについて、同様にして外部磁界Ｈ_EXを変化させると、図５（ｂ）に示すように、外部磁界Ｈ_EXの向きを「＋」から「−」へ変化させていく場合には、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₅」である。また、外部磁界Ｈ_EXの向きを「−」から「＋」へ変化させていく場合には、光変調素子１３ｂは、磁化Ｊが反転するときの外部磁界Ｈ_EXの大きさが「Ｈ₆」である。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、光変調素子１３ａは、光変調素子１３ｂと比較して小さな磁界で磁化の方向が反転する。つまり、形状磁気異方性が小さいことがわかる。なお、光変調素子１３ａ，１３ｂのそれぞれの磁化Ｊの大きさは、「Ｊ₁，Ｊ₂」として説明したが、図５（ａ）および図５（ｂ）においてその値は必ずしも等しくはない。これら「Ｊ₁，Ｊ₂」は、光変調素子１３ａ，１３ｂそれぞれにおいては、磁化の方向が、所定方向である状態と、回転した方向である状態との２状態が存在していることを示すためのものである。

図６は、２個の光変調素子の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は光変調素子の形状が両方とも正方形の場合、（ｂ）は長方形と正方形の組合せの場合をそれぞれ示している。

図６（ａ）に示すように、仮に画素中に同じ種類の光変調素子１３ａが２個存在する場合には、各光変調素子１３ａは外部磁界Ｈ_EXに対する磁化反転の応答が同じであるため、各光変調素子１３ａの磁化方向は一致する。つまり、画素全体として見れば磁化Ｊの大きさは、図５（ａ）に示した値を単純に重ね合わせたものとなる。図６（ａ）では、画素全体で反転前、反転後の磁化の大きさをそれぞれ「Ｊ₁，Ｊ₃」とした。これら「Ｊ₁，Ｊ₃」は、磁化の方向が、所定方向である状態と、回転した方向である状態との２状態が存在していることを示すためのものであり、その値は特に限定されない。

一方、本実施形態のように画素２０中に異なる種類の光変調素子１３ａ，１３ｂが存在する場合には、各光変調素子１３ａ，１３ｂが外部磁界Ｈ_EXに対する磁化反転の応答が異なるため、外部磁界Ｈ_EXの大きさによっては、光変調素子１３ａの磁化方向と、光変調素子１３ｂの磁化方向とが一致しない場合が生じる。つまり、画素２０全体として見れば磁化Ｊの大きさは、図５（ａ）に示した値と図５（ｂ）に示した値とを単純に重ね合わせたものとなる。このときのグラフを図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）では、例えば、外部磁界Ｈ_EXの向きを「＋」から「−」へ変化させていく場合に、画素２０全体で反転前、反転後の磁化の大きさをそれぞれ「Ｊ₁，Ｊ₃」とすると共に、それらの中間状態として、光変調素子１３ａだけが磁化反転したときの磁化Ｊの大きさを「Ｊ₂」とした。ここで、外部磁界Ｈ_EXを変化させたときに、画素２０中の光変調素子１３ａ，１３ｂの磁化方向の変化の様子を図７に示す。

図７は、図６（ｂ）に対応した２個の光変調素子のそれぞれの磁化の向きを模式的に示す図であり、（ａ）はＨ₁からＨ₂まで、（ｂ）はＨ₂からＨ₅まで、（ｃ）はＨ₅からＨ₄まで、（ｄ）はＨ₄からＨ₆までの状態をそれぞれ示している。図７（ａ）および図７（ｃ）に示すように、光変調素子１３ａ，１３ｂの磁化方向が同じになる状態が２回発生し、図７（ｂ）および図７（ｄ）に示すように、光変調素子１３ａ，１３ｂの磁化方向が互いに異なる状態が２回発生する。つまり、各光変調素子１３ａ，１３ｂの磁化方向の組合せは、合計４組存在する。

このうち、２回発生する光変調素子１３ａ，１３ｂの磁化方向が互いに異なる状態では、図６（ｂ）に示すように、磁化Ｊの大きさが同じ（Ｊ₂）であるため、画素２０全体では、磁化の大きさとして３つの値「Ｊ₁，Ｊ₂，Ｊ₃」が存在することとなる。つまり、多素子空間光変調器１０では、画素２０中で、磁化の方向が、所定方向に揃った状態と、回転した方向に揃った状態と、一部が回転した状態と、の３種類の磁化状態が存在している。多素子空間光変調器１０では、この３種類の磁化状態に、光の階調を割り当てた。例えば、所定方向に揃った状態を「明」、回転した方向に揃った状態を「暗」、一部が回転した状態を「明暗の中間状態」としてもよい。なお、図６（ｂ）に示した「Ｊ₁，Ｊ₂，Ｊ₃」は、３種類の磁化状態が存在することを示すためのものであり、その値は特に限定されない。

本実施形態によれば、画素２０中に形状磁気異方性の異なる２種類の光変調素子１３ａ，１３ｂを含み、スピン注入磁化反転と磁気光学的カー効果を組み合わせることで、入射光を明暗２状態の中間状態に変調することができる。また、本実施形態によれば、光の中間状態を、ＭＯＳＬＭによる時間変調よりも高速応答で実現できる。また、公知の微細加工技術によってサブミクロンの画素サイズを実現することが可能である。

以上、本実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、多素子空間光変調器１０は、画素２０中に２種類の光変調素子１３ａ，１３ｂを１つずつ、つまり１ペア含むものとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図８（ａ）に示すように、１つの画素２０Ａ中に４ペアの光変調素子１３ａ，１３ｂを含むようにしてもよい。また、図８（ｂ）に示すように、１つの画素２０Ａ中に１６ペアの光変調素子１３ａ，１３ｂを含むようにしてもよい。また、ペア数は、特に限定されない。また、縦横のそれぞれの個数はマトリクス状であれば特に限定されない。

また、本実施形態では、画素２０中の光変調素子１３ａ，１３ｂは、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形であるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図９（ａ）に示すように、画素２０Ｃにおいて、平面形状が多角形（図では８角形）である光変調素子１３ｃ，１３ｄを備えるようにしてもよい。
また、図９（ｂ）に示すように、画素２０Ｄにおいて、平面形状が円および楕円である光変調素子１３ｅ，１３ｆを備えるようにしてもよい。
また、図９（ｃ）に示すように、画素２０Ｅにおいて、平面形状が異なる２種類の光変調素子１３ｃ，１３ｂを備えるようにしてもよい。
また、本実施形態では、２種類の光変調素子１３ａ，１３ｂは、電流の流れる方向に垂直な面の面積が同じものとしたが、例えば、図９（ｄ）に示すように、画素２０Ｆにおいて、その面の面積が異なる光変調素子１３ｇ，１３ｂを備えるようにしてもよい。

また、本実施形態では、画素２０中に２種類の光変調素子１３ａ，１３ｂを備えるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１０（ａ）に示すように、画素２０Ｇにおいて、平面形状の異なる３種類の光変調素子１３ｈ，１３ｉ，１３ｊを備えるようにしてもよい。この場合、図１０（ａ）に示すように、３種類の光変調素子を一直線上に配置してもよいし、図１０（ｂ）に示すように、２種類の光変調素子のみを一直線上に配置してもよい。さらに、１画素２０中に４種類以上の光変調素子１３を含んでもよい。なお、図８ないし図１０は、画素２０Ａ〜２０Ｈにおいて、電流の流れる方向に垂直な面を模式的に示している。

本発明の効果を確認するために本実施形態に係る多素子空間光変調器１０を製造した。
本実施例の多素子空間光変調器１０は、１画素２素子、すなわち、１つの画素２０に２種類１ペアの光変調素子１３（１３ａ，１３ｂ）を含み、表１に示す材料から成るＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いて製造されたものである。なお、表１のカッコ内の数字は厚さ［ｎｍ（ナノメートル）］を示す。

この多素子空間光変調器１０の物理特性を図１１に示す。図１１は、光変調素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の素子抵抗を示すグラフであり、（ａ）は外部磁界に対する素子抵抗、（ｂ）は注入電流に対する素子抵抗をそれぞれ示している。

図１１（ａ）に示すグラフには、外部磁界Ｈの変化に対応した素子抵抗Ｒとして、ほぼ均等な３種類の値（4.11Ω，4.16Ω，4.22Ω）が生じている。つまり、３種類の磁化状態が生成している。このことから、磁気異方性の異なる２種類の光変調素子１３ａ，１３ｂが製造できたことが分かる。

また、同様に、図１１（ｂ）に示すグラフには、パルス幅２０ｍｓの注入電流Ｉの変化に対応した素子抵抗ｄＶ／ｄＩとして、ほぼ均等な３種類の値（3.86Ω，3.91Ω，3.96Ω）が生じている。このことから、パルス幅２０ｍｓの注入電流Ｉにより３段階の磁化状態が制御できることが分かる。その結果、入射光を明、暗、その中間状態に変調できることが分かる。

次に、光変調素子１３において電流の流れる方向に垂直な面が同面積で縦横比の異なるものを製造して光変調素子１３の形状磁気異方性の違いを確認した。
図１２は、光変調素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の形状磁気異方性の説明図であり、（ａ）は光変調素子の電流の流れる方向に垂直な面の形状を模式的に示す平面図、（ｂ）は光変調素子の磁化特性を示すグラフ、（ｃ）は光変調素子の横幅の変化に対する磁化反転時の外部磁界を示すグラフをそれぞれ示している。

図１２（ａ）に示すように、光変調素子１３の平面形状の方形の縦の長さを１００［ｎｍ］、横の長さを変数Ｘ［ｎｍ］として、横の長さの異なる（縦横比の異なる）４種類の光変調素子を作成した。図１２（ｂ）に示すように、外部磁界Ｈ_EXを変化させて磁化の値が「Ｊ₁」から「Ｊ₄」に変化したときの外部磁界Ｈ_EXの大きさを「Ｈ_S」とする。なお、図１２（ｂ）に示したグラフでは、磁化の変化を単純化して直線で示している。実際には、外部磁界Ｈ_EXの大きさ「Ｈ_S」は、磁化の値が「Ｊ₁」のときの外部磁界Ｈ_EXの大きさと、磁化の値が「Ｊ₄」のときの外部磁界Ｈ_EXの大きさとを平均して求めた値となる。このことは図１２（ｃ）に示すグラフに反映している。

図１２（ｃ）に示すように、光変調素子１３の平面形状の方形の横の長さが１８０［ｎｍ］の場合には、磁化反転時の外部磁界Ｈ_Sは、８０００［Ａ／ｍ］（１００［Ｏｅ］）であった。また、光変調素子の横の長さが３５０［ｎｍ］の場合には、磁化反転時の外部磁界Ｈ_Sは、１２０００［Ａ／ｍ］（１５０［Ｏｅ］）であった。その結果、縦横比を、「１．８」から「３．５」に変化させたときに、磁化反転時の外部磁界の大きさ「Ｈ_S」が「１．５」倍に変化することを確認した。これにより、様々な磁化状態や電流特性を実現する形状磁気異方性を有した光変調素子１３を設計可能であることが分かる。

本発明の実施形態に係る映像表示装置の一例を示した構成図である。 図１に示した多素子空間光変調器を模式的に示す平面図である。 図１に示した多素子空間光変調器の動作原理を示す説明図であり、（ａ）は初期状態、（ｂ）は反転状態をそれぞれ示している。 図２に示した画素を模式的に示す構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ示している。 図４に示した光変調素子の個別の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は光変調素子の形状が正方形の場合、（ｂ）は長方形の場合をそれぞれ示している。 ２個の光変調素子の磁化特性の一例を示すグラフであり、（ａ）は光変調素子の形状が両方とも正方形の場合、（ｂ）は長方形と正方形の組合せの場合をそれぞれ示している。 図６（ｂ）に対応した２個の光変調素子のそれぞれの磁化の向きを模式的に示す図であり、（ａ）はＨ₁からＨ₂まで、（ｂ）はＨ₂からＨ₅まで、（ｃ）はＨ₅からＨ₄まで、（ｄ）はＨ₄からＨ₆までの状態をそれぞれ示している。 ２種類の光変調素子からなるペアを複数含む画素の構成例を模式的に示す平面図であり、（ａ）は４ペア、（ｂ）は１６ペアの状態をそれぞれ示している。 ２種類の光変調素子の形状を模式的に示す平面図であり、（ａ）は多角形の場合、（ｂ）は円と楕円の場合、（ｃ）は２種類の多角形を組み合わせた場合、（ｄ）は２種類の光変調素子の面積が異なる場合をそれぞれ示している。 ３種類の光変調素子を含む画素の構成例を模式的に示す平面図であり、（ａ）は３種類の光変調素子を一直線上に配置した場合、（ｂ）は２種類の光変調素子を一直線上に配置した場合をそれぞれ示している。 光変調素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の素子抵抗を示すグラフであり、（ａ）は外部磁界に対する素子抵抗、（ｂ）は注入電流に対する素子抵抗をそれぞれ示している。 光変調素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた場合の形状磁気異方性の説明図であり、（ａ）は光変調素子の電流の流れる方向に垂直な面の形状を模式的に示す平面図、（ｂ）は光変調素子の磁化特性を示すグラフ、（ｃ）は光変調素子の横幅の変化に対する磁化反転時の外部磁界を示すグラフをそれぞれ示している。

符号の説明

１ 映像表示装置
２ レーザ光源
３ スクリーン
４（４ａ，４ｂ） 偏光フィルタ
１０ 多素子空間光変調器
１１ 上部電極
１２ 下部電極
１３ 光変調素子
１４ 上部電極選択部
１５ 下部電極選択部
１６ 電流源
１７ 電流制御手段
２０ 画素
１０１ 固定層
１０２ 中間層
１０３ 反転層
１０４ 封止剤

Claims (5)

1. 画素に流れる電流の方向および大きさに基づいて変化する画素中の磁化の強さによって、光源から入射する光を変調して出射する多素子空間光変調器であって、
   前記画素中に、２種類以上の光変調素子を備え、
   前記２種類以上の光変調素子は、外部磁界によって磁化が反転するときに前記外部磁界の大きさがそれぞれ異なり、
   前記２種類以上の光変調素子のうち全種類よりも少ない種類の光変調素子の磁化が反転することによって、前記画素中において生成される磁化状態に対して、光の明状態と暗状態の中間状態を割り当てたことを特徴とする多素子空間光変調器。
2. 前記２種類以上の光変調素子は、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形に構成され、前記方形の縦横比が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の多素子空間光変調器。
3. 前記光変調素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子から構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多素子空間光変調器。
4. 前記画素に流れるパルス電流または直流電流の方向および大きさを制御して、前記画素にスピン注入することによって、前記光変調素子の磁化を反転させる電流制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の多素子空間光変調器。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の多素子空間光変調器を備えたことを特徴とする映像表示装置。

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