JP2008090300A - ヒータを用いた温度適応型光変調器素子 - Google Patents

Abstract

【課題】周りの温度にかかわらず効率的に作動することのできる温度適応型光変調器素子を提供する。
【解決手段】本発明の温度適応型光変調器素子は、基板２９５と、中央部分が基板２９５と所定の間隔を置いて位置する構造物層２８０と、構造物層２８０上に位置して構造物層２８０の中央部分を上下に動かす圧電層２４０と、構造物層２８０の中央部分の上部に位置して入射光を反射して回折させる上部反射層２７０と、基板２９５上に位置して入射光を反射して回折させる下部反射層２８７と、構造物層２８０の上部及び圧電層２４０の側面に位置して所定の印加電圧によって熱を発生するヒータ２０５とを備えていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器素子に関するもので、特にヒータを用いた温度適応型の光変調器素子に関する。

最近では、ディスプレイ技術の発達に伴い、大型画像を具現する要求が次第に増加している。現在、大部分の大型画像表示装置（主として、プロジェクタ）は、液晶を光スイッチとして使用したものである。過去のＣＲＴプロジェクタと比較して小型で価格も安く、光学系も簡単なので、今では多く使用されている。しかし、光源からの光を、液晶板を透過させてスクリーンに写し出すので、光損失が大きいという短所がある。そこで、反射を用いた光変調器素子などのマイクロマシンを活用して光損失を減らし、これによってさらに明るい画像を得られるようにすることができる。

マイクロマシン（Ｍｉｃｒｏ ｍａｃｈｉｎｅ）とは、目視では識別しにくい極めて小型の機械を意味している。ＭＥＭＳ技術（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ ＭｅｃｈａｎＩｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）とも言い、マイクロ電気機械システムまたは素子とも呼ばれている。主として半導体の製造技術を応用して作るものである。微小光学及び極限素子を用いて磁気及び光ヘッドのような各種情報機器の部品に応用し、多種のマイクロ流体制御技術を用いて生命医学分野や半導体製造工程などにも応用されている。マイクロマシンは、その役割に応じて分類することができ、感知素子の機能を果たすマイクロセンサや駆動装置であるマイクロアクチュエーターなどがあり、またその他にはエネルギーを伝達するための役割を果たすミニアチュア機械などがある。

ＭＥＭＳ技術は多様な応用分野の一つとして、光学分野に応用されている。ＭＥＭＳ技術を用いると、１ｍｍより小さい光学部品を製作することができ、これらを使って超小型光システムを具現することができる。

超小型光システムに該当する光変調器素子や、マイクロレンズなどのマイクロ光学部品は、速い応答速度と低損失、集積化及びデジタル化の容易性などの長所によって通信装置やディスプレイ及び記録装置に採択されて応用されている。

ディスプレイの一種であるスキャニングディスプレイ装置に用いられている光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、ＳＯＭ）は、駆動集積回路と複数個のマイクロミラーから構成されている。一つ以上のマイクロミラーが集まって投射映像の一ピクセルを表現する。

この際、マイクロミラーは、一ピクセルの光の強度を表現するために、ドライバＩＣから印加される駆動電圧に応じてその変位を変え、これによって変調光の光量を変化させている。ここで、ドライバＩＣは、入力信号に対して特定の関係を有する駆動電圧を生成するものである。

しかし、光変調器は一定の温度環境下でその効率が優れているという特徴がある。特に、光変調器のマイクロミラーを駆動する駆動手段として圧電体を用いた場合、光変調器は約８０℃程度の温度で入射光を反射して回折する効率がより大きくなる。これは、回折光を発生させるための複数のマイクロミラー間の距離が、温度に応じて敏感に変わるからである。したがって、このような温度環境を外れた場合でもディスプレイ装置を効率的に作動させることのできる温度適応型の光変調器素子の開発に対して、その必要性が浮上してきている。

本発明は、前述した従来の問題点を解決するために案出されたものであり、周りの温度にかかわらず効率的に作動することが可能な温度適応型光変調器素子を提供することを目的としている。

本発明の他の目的は、ヒータを備えた簡単な方法によって周りの温度に適応的に対応することのできる温度適応型光変調器素子を提供することである。

本発明が提示する以外の技術的課題は、下記の説明により容易に理解できるであろう。

本発明の一実施形態によれば、基板と、中央部分が前記基板と所定の間隔を置いて位置する構造物層と、前記構造物層の上に位置して前記構造物層の中央部分を上下に動かす駆動手段と、前記構造物層の中央部分の上部に位置して入射光を反射して回折させる上部反射層と、前記基板上に位置して入射光を反射して回折させる下部反射層と、前記構造物層の上部及び前記駆動手段の側面に位置して所定の印加電圧により熱を発生させるヒータとを備えていることを特徴とする光変調器素子が提供される。

ここで、前記駆動手段は、下部電極と、前記下部電極上に位置して所定電圧に応じて収縮及び膨脹することによって前記構造物層の中央部分に上下の駆動力を発生させる圧電層と、前記圧電層上に位置して前記圧電層に前記所定電圧を印加する上部電極とを備えていることが好ましい。

また、本発明の他の実施形態によれば、基板と、中央部分が前記基板と所定の間隔を置いて位置する構造物層と、前記構造物層の上に位置して前記構造物層の中央部分を上下に動かす駆動手段と、前記構造物層の中央部分の上部に位置して入射光を反射して回折させる上部反射層と、前記基板上に位置して入射光を反射して回折させる下部反射層と、前記構造物層の上部及び前記駆動手段の側面に位置して所定の印加電圧により熱を発生させるヒータと、前記ヒータに電圧を印加する電圧印加部と、光変調器素子の温度を測定する温度測定部と、前記温度測定部で測定された温度が基準温度以下のときに、前記電圧印加部から前記ヒータに電圧を印加するように制御する電圧印加制御部とを備えていることが好ましい。

ここで、前記温度測定部は測温抵抗体（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｏ、ＲＴＤ）または熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ）を備えていることが好ましい。

本発明に係るヒータを用いた温度適応型光変調器素子は、周りの温度にかかわらず効率的に作動することができるという効果がある。

また、本発明に係るヒータを用いた温度適応型光変調器素子は、ヒータを設置するという簡単な方法で周りの温度に適応的に対応できるという効果がある。

以下、本発明に係るヒータを用いた温度適応型光変調器素子の好ましい実施形態を添付した図面に基づいて詳しく説明する。この説明において同一の構成要素に対しては同一の参照符号を付与し、重複した説明は省略する。本発明の説明において、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断する場合には、その詳細な説明は省略する。また、本発明の実施形態は、一般的に外部へ信号を伝送したり、外部から信号を受信したりするＭＥＭＳパッケージを適用することができ、本発明の好ましい実施形態を詳述する前に、本発明に適用するＭＥＭＳパッケージの光変調器について先に説明する。

光変調器は大きく分けて、直接光のオン/オフを制御する直接方式と、反射及び回折を用いる間接方式とに大別され、また間接方式は静電気方式と圧電方式とに分けられる。ここで、本発明では光変調器の駆動方式を問わずに適用可能である。

静電駆動方式格子光変調器は、一定の間隔を置いた複数の反射型リボンを備えており、この反射型リボンは反射表面部を備え、基板上部の上方で浮遊（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ）している。そして、反射型リボンの間隔は調整可能である。

先ず、絶縁層がシリコン基板上に蒸着され、その後に二酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の蒸着工程が後続する。窒化シリコン膜はリボンにパターニングされて二酸化シリコン層の一部はエッチングされ、リボンが窒化物フレームによって酸化物スペーサ層上に維持されるようにする。単一波長λ_０を有する光を変調するために、変調器のリボンと酸化物スペーサは厚さがλ_０/４になるように設計されている。

リボン上の反射表面と基板の反射表面との間の垂直距離ｄで限定された変調器の格子振幅は、リボン（第１電極としての役割を果たすリボンの反射表面）と基板（第２電極としての役割を果たす基板下部の伝導膜）との間に電圧を印加することによって制御される。

図１ａは本発明に適用できる間接光変調器のうち圧電体を用いた一実施形態の回折型光変調器モジュールの斜視図であり、図１ｂは本発明の好ましい実施形態に適用できる圧電体を用いた他の実施形態の回折型光変調器モジュールの斜視図である。図１ａ及び図１ｂは、基板１１５、絶縁層１２５、犠牲層１３５、リボン構造物１４５及び圧電体１５５を備えた光変調器を示している。ここで、圧電体１５５は一般的に駆動手段の一種類として使用することができる。

基板１１５は一般に使用されている半導体基板であり、絶縁層１２５はエッチング阻止層（ｅｔｃｈ ｓｔｏｐ ｌａｙｅｒ）として蒸着されている。絶縁層１２５は、犠牲層１３５として用いられる物質をエッチングするエッチャント（エッチングガスまたはエッチング溶液である）に対して、選択比の高い物質から形成されている。ここで、絶縁層１２５上には入射光を反射するために下部反射層１２５（ａ）、１２５（ｂ）が形成されていてもよい。

犠牲層１３５は、リボン構造物１４５が絶縁層１２５と一定した間隔を置くように両サイドでリボン構造物１４５を支持しており、中心部に空間を形成する役割を果たしている。

リボン構造物１４５は前述したように入射光の回折及び干渉を引き起こして信号を光変調する役割を果たしている。リボン構造物１４５の形態は前述したように静電気方式によって複数のリボン状に構成されていてもよく、圧電方式によってリボンの中央部に複数のオープンホールを備えていてもよい。また、圧電体１５５は上部及び下部電極との間の電圧差によって発生する上下または左右の収縮または膨脹の程度に応じてリボン構造物１４５を上下に動かすように制御されている。ここで、下部反射層１２５（ａ）、１２５（ｂ）はリボン構造物１４５に形成されたホール１４５（ｂ）、１４５（ｄ）に対応して形成されている。

例えば、光の波長がλである場合に何の電圧も印加されていないか、または所定の電圧が印加された状態で、リボン構造物１４５に形成された上部反射層１４５（ａ）、１４５（ｃ）と下部反射層１２５（ａ）、１２５（ｂ）が形成された絶縁層１２５との間の間隔はｎλ/２（ｎは自然数）となる。従って、０次回折光（反射光）の場合には、リボン構造物１４５に形成された上部反射層１４５（ａ）、１４５（ｃ）から反射された光と絶縁層１２５から反射された光との間の全体の経路差はｎλになるので、補強するように干渉して回折光は最大輝度を有する。ここで、＋１次及び−１次回折光の場合には光の輝度は相殺されるように干渉して最小値を有する。

また、前記印加された電圧と異なる適正電圧を圧電体１５５に印加した時には、リボン構造物１４５に形成された上部反射層１４５（ａ）、１４５（ｃ）と下部反射層１２５（ａ）、１２５（ｂ）が形成された絶縁層１２５との間の間隔は（２ｎ+１）λ/４（ｎは自然数）となる。従って、０次回折光（反射光）の場合にはリボン構造物１４５に形成された上部反射層１４５（ａ）、１４５（ｃ）から反射された光と絶縁層１２５から反射された光との間の全体の経路差は（２ｎ+１）λ/２になるので、相殺するように干渉して回折光は最小輝度を有する。ここで、＋１次及び−１次回折光の場合には補強するように干渉して光の輝度は最大値を有する。このような干渉の結果、光変調器は反射または回折光の光量を調節して信号を光に乗せることができる。

以上では、リボン構造物１４５と下部反射層１２５（ａ）、１２５（ｂ）が形成された絶縁層１２５との間の間隔がｎλ/２または（２ｎ+１）λ/４の場合を説明したが、入射光の回折、反射によって干渉する光の強度を調節できるような間隔を用いて光変調器を駆動する多様な実施形態が本発明に適用できることは当然である。

以下では、前述した図１ａに示した形態の光変調器に基づいて説明する。

図１ｃを参照すると、光変調器はそれぞれ第１ピクセル（ｐｉｘｅｌ＃１）、第２ピクセル（ｐｉｘｅｌ＃２）、…及び第ｍピクセル（ｐｉｘｅｌ＃ｍ）を表示するｍ個のマイクロミラー１００−１、１００−２、…１００−ｍから構成されている。光変調器は、垂直走査線または水平走査線（ここで、垂直走査線または水平走査線はｍ個のピクセルから構成されていると仮定する）の１次元映像に対する映像情報を処理しており、各マイクロミラー１００−１、１００−２、…１００−ｍは垂直走査線または水平走査線を構成するｍ個のピクセルのいずれか一つのピクセルとなる。従って、それぞれのマイクロミラーから反射及び回折された光は、その後に光スキャン装置によってスクリーンに２次元映像として投射される。例えば、ＶＧＡ６４０*４８０の解像度である場合に、４８０個の垂直ピクセルに対して光スキャン装置（図示せず）の一画面において、モジュレーションが６４０回実施され、それによって光スキャン装置の一画面当たり、画面１フレームが生成される。ここで、光スキャン装置はポリゴンミラー（Ｐｏｌｙｇｏｎ Ｍｉｒｒｏｒ）、回転バー（Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂａｒ）またはガルバノミラー（Ｇａｌｖａｎｏ Ｍｉｒｒｏｒ）などで構成することができる。

以下、第１ピクセル（ｐｉｘｅｌ＃１）に対して光変調の原理を説明するが、他のピクセルについても同様の内容が適用できることは勿論である。

本実施形態において、リボン構造物１４５に形成されたホール１４５（ｂ）−１は二つであると仮定する。二つのホール１４５（ｂ）−１によりリボン構造物１４５の上部には圧電体１５５−１によって駆動される三つの上部反射層１４５（ａ）−１が形成される。絶縁層１２５には二つのホール１４５（ｂ）−１に対応して二つの下部反射層が形成される。そして、第１ピクセル（ｐｉｘｅｌ＃１）と第２ピクセル（ｐｉｘｅｌ＃２）との間の部分に対応して絶縁層１２５にはさらに一つの下部反射層が形成される。従って、各ピクセル当たりの上部反射層１４５（ａ）−１の個数と下部反射層の個数とは同じになり、図１ａを参照して前述したように０次回折光または±１次回折光を用いて変調光の輝度を調節することができる。

次に、図１ｄを参照すると、本発明の好ましい実施形態に適用できる回折型光変調器アレイによってスクリーンに生成されたイメージの模式図を示している。

図１ｄは、垂直に配列されたｍ個のマイクロミラー１００−１、１００−２、…及び１００−ｍによって反射及び回折された光が、光スキャン装置から反射されてスクリーン１７５に水平にスキャンされ、生成された画面１８５−１、１８５−２、１８５−３、１８５−４、…、１８５−（ｋ−３）、１８５−（ｋ−２）、１８５−（ｋ−１）及び１８５−ｋを示している。光スキャン装置が一度回転すると、一つの映像フレームを投射することができる。ここで、スキャン方向は左側から右側方向（矢印方向）に示しているが、他の方向（例えば、その逆方向）へ映像をスキャンすることもできることは自明なことである。

以上で、一般の温度適応型光変調器素子を示す斜視図及び平面図について説明したが、以下では、添付図面を参照して本発明に係るヒータを用いた温度適応型光変調器素子を具体的な実施形態に基づいて説明する。

図２は本発明の好ましい実施形態に係る回折型光変調器の断面図であり、図３は本発明の好ましい実施形態に係る回折型光変調器の側面図である。図２及び図３を参照すると、基板２９５、第１絶縁層２８７、第１犠牲層２８５、第２絶縁層２８０、上部反射層２７０、第２犠牲層２６０、下部電極２５０、圧電層２４０、上部電極２３０、第３犠牲層２２０、接地電極２１０、ヒータ２０５を示している。ここで、図３を参照すると、図２に示す下部電極２５０、圧電層２４０、上部電極２３０を圧電体３１０（１）、３１０（２）及び３１０（３）として示し、上部反射層２７０とそれぞれの圧電体３１０（１）、３１０（２）及び３１０（３）との間の結合関係を説明の便宜上単純化して示している。

図２は光変調器素子の半分、すなわち、両サイドのうちの一つのサイドのみを示している。図１ａないし図１ｃの説明との相違点を主に説明する。

第１犠牲層２８５は、前述したように構造物層（リボン構造物）となる第２絶縁層２８０が第１絶縁層２８７と一定の間隔を置いて形成されるように両サイドから第２絶縁層２８０を支持し、中央部に空間を形成する役割を果たしている。すなわち、犠牲層は図２に示している光変調器素子を形成するために必要な部分をエッチングする役割を果たしている。よって、構造物層を前述したように形成するために犠牲層は第１犠牲層２８５、第２犠牲層２６０、第３犠牲層２２０を備えているが、このような形態に限定されるわけではない。

ここで、構造物層は第２絶縁層２８０を意味し、第２犠牲層２６０をさらに備えているという意味であってもよい。すなわち、構造物層とは前述したマイクロミラーを形成するために中央部分が基板２９５と所定の間隔を置いて位置した構造物のことを意味している。

下部電極２５０に電圧（ａ）が印加されると、接地電極２１０に結合した上部電極２３０との間に電圧差が発生し、この電圧差によって圧電層２４０が収縮または膨脹することにより、第２絶縁層２８０の中央部分が上下に動くことができる。

ヒータ２０５、２０５（ａ）、２０５（ｂ）は、周りの温度が低くなって第２絶縁層２８０の中央部分が上部へ上がったり、下部に沈んだりした場合に光変調器の効率が落ちる恐れがあるので、これを防止するために熱を発生させて周りの温度を高める機能を果たしている。ヒータ２０５は導電性物質から形成されていてもよく、これにより、所定の抵抗を有する導電性物質に電流を流したときに発生する熱を利用して周りの温度を高めるようにすることができる。ヒータ２０５は光変調器の周りの温度を高めることができれば、その位置は限定されない。例えば、ヒータ２０５は構造物層の上部及び圧電体３１０（１）、３１０（２）、３１０（３）の側面に位置して所定の印加電圧によって熱を発生させることができる。

図４は、本発明の好ましい実施形態に係る回折型光変調器素子を備えたシステム構成図である。図４を参照すると、光変調器素子４００、電圧印加部４１０、電圧印加制御部４２０、温度測定部４３０を示している。

電圧印加部４１０はヒータ２０５、２０５（ａ）、２０５（ｂ）に電圧を印加する。これは、前述したように光変調器の周りの温度を高めるためである。ここで、電圧印加部４１０から印加された電圧は周りの温度に応じて調節可能であり、例えば、周りの温度が基準温度に対して非常に低い場合には多くの電流を流すように高い電圧を印加することができ、周りの温度が基準温度に対して少し低い場合には少ない電流を流すように低い電圧を印加することができる。このような電圧印加部４１０は前述した駆動手段に印加する電圧とは異なる電源から異なる電圧を印加することが可能である。

電圧印加制御部４２０は、電圧印加部４１０からヒータ２０５、２０５（ａ）、２０５（ｂ）に電圧を印加するか否かを制御する。すなわち、温度測定部４３０で測定した温度が基準温度以下であれば、電圧印加部４１０からヒータ２０５に電圧を印加するように制御する。ここで、基準温度は約８０℃程度の温度であればよく、この温度は光変調器素子４００が適正に動作できる温度でもある。

温度測定部４３０は、光変調器素子４００の周りの温度を測定し、測定された温度データを電圧印加制御部４２０が利用できるようにする。ここで、温度測定部４３０が温度を測定する方法は、多様に具現できる。

例えば、温度測定部４３０は測温抵抗体（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ、ＲＴＤ）または熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ）を用いることが可能である。ここで、測温抵抗体は抵抗対温度出力を用い、受動的機具（受動素子）なので可動するのに１ｍＡ程度の電流のみを必要とする。測温抵抗体は白金、ニッケル、銅、またはニッケル／鉄であってもよい。また、熱電対は互いに種類が異なる金属の両端を接続する場合に両端の接点から温度差が発生し、これにより熱起電力による電流が発生する現象を用いて温度を測定する。ここで、温度測定部４３０は光変調器素子４００の一端にダミー（ｄｕｍｍｙ）マイクロミラー（上部反射層）を形成し、このマイクロミラーの上部に金属を形成することにより測温抵抗体（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅ ｔｅｃｔｏｒ、ＲＴＤ）、熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ）を備えることができる。

本発明は前記実施形態に限定されるわけではなく、多くの変形が本発明の思想内で当分野における通常の知識を有する者によって可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明及びその均等物の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変形できることを理解できるであろう。

本発明の好ましい実施形態に適用できる圧電体を用いた一実施形態の回折型光変調器モジュールを示す斜視図である。 本発明の好ましい実施形態に適用できる圧電体を用いた他の実施形態の回折型光変調器モジュールを示す斜視図である。 本発明の好ましい実施形態に適用できる回折型光変調器アレイを示す平面図である。 本発明の好ましい実施形態に適用できる回折型光変調器アレイによりスクリーンに生成されたイメージを示す模式図である。 本発明の好ましい実施形態に係る回折型光変調器の構造を示す断面図である。 本発明の好ましい実施形態に係る回折型光変調器の構造を示す側面図である。 本発明の好ましい実施形態に係る回折型光変調器を備えたシステムの構成を示す図である。

符号の説明

２０５ ヒータ
２１０ 接地電極
２２０ 第３犠牲層
２３０ 上部電極
２４０ 圧電層
２５０ 下部電極
２６０ 第２犠牲層
２７０ 上部反射層
２８０ 第２絶縁層
２８５ 第１犠牲層
２８７ 第１絶縁層
２９５ 基板

Claims (4)

1. 基板と、
   中央部分が前記基板と所定の間隔を置いて位置する構造物層と、
   前記構造物層の上に位置して前記構造物層の中央部分を上下に動かす駆動手段と、
   前記構造物層の中央部分の上部に位置して入射光を反射して回折させる上部反射層と、
   前記基板上に位置して入射光を反射して回折させる下部反射層と、
   前記構造物層の上部及び前記駆動手段の側面に位置して所定の印加電圧により熱を発生させるヒータと
   を備えていることを特徴とする光変調器素子。
2. 前記駆動手段が、
   下部電極と、
   前記下部電極上に位置して所定電圧に応じて収縮及び膨脹することによって前記構造物層の中央部分に上下の駆動力を発生させる圧電層と、
   前記圧電層上に位置して前記圧電層に前記所定電圧を印加する上部電極と
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器素子。
3. 基板と、
   中央部分が前記基板と所定の間隔を置いて位置する構造物層と、
   前記構造物層の上に位置して前記構造物層の中央部分を上下に動かす駆動手段と、
   前記構造物層の中央部分の上部に位置して入射光を反射して回折させる上部反射層と、
   前記基板上に位置して入射光を反射して回折させる下部反射層と、
   前記構造物層の上部及び前記駆動手段の側面に位置して所定の印加電圧により熱を発生させるヒータと、
   前記ヒータに電圧を印加する電圧印加部と、
   光変調器素子の温度を測定する温度測定部と、
   前記温度測定部で測定された温度が基準温度以下のときに、前記電圧印加部から前記ヒータに電圧を印加するように制御する電圧印加制御部と
   を備えていることを特徴とする光変調器素子システム。
4. 前記温度測定部が、測温抵抗体（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ、ＲＴＤ）または熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ）を備えていることを特徴とする請求項３に記載の光変調器素子システム。

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