JP2011203655A - 空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】精密な階調表現を可能にする空間光変調器を提供する。
【解決手段】空間光変調器は、複数の画素２０が所定パターンで二次元配置された構造を有する。画素２０は光変調素子１３ａ，１３ｂを具備し、光変調素子１３ａ，１３ｂを駆動したときに光変調素子１３ａ，１３ｂが取り得る状態の組合せによって、反射光の強さの異なる明状態、暗状態及び中間状態の中から選択される所定の光状態を取り得る。空間光変調器では、これらの光状態によって光の階調が作り出され、複数の画素２０のうちの所定画素２０を所定の光状態としたときに、この所定画素２０に隣接する少なくとも１つの画素２０が具備する光変調素子１３ａ，１３ｂを駆動しないことによって、光の階調を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、高精細で高速駆動が可能であり、しかも精密な階調表現が可能になる空間光変調器に関する。

従来、空間光変調器（ＳＬＭ；Spatial Light Modulator）として、液晶を画素として用いたものが知られている。このような液晶を用いた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。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以下とする微細化が困難であり、また、印加電圧に対する応答時間が数十μｓ程度と比較的長いために、近時、ＳＬＭに対して要望されている画素サイズの微細化と応答時間の短縮（つまり、応答性の向上）への対応が困難であるという問題がある。

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）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＭＯＳＬＭでは、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、磁化方向の向き（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って回転させたり、圧電素子によって回転させたりすることによって、相互に変化させる。

しかしながら、このＭＯＳＬＭでは、１画素は磁化方向の向きに対応した２状態しか取ることができず、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階調となるために、映像等の精密な階調表現は困難である。そこで、このような問題を解決するために、１画素内に形状の異なる複数の素子（磁性薄膜を備えた素子）を配置することで、明状態と暗状態との中間状態を作り出すことができるＭＯＳＬＭが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−８４８７１号公報（段落［０００２］、［０００３］、図５等） 特開２００８−６４８２５号公報（段落［０００６］、［０００７］、図６、図７等）

しかしながら、特許文献２に開示されたＭＯＳＬＭにおいては、所定の画素に含まれる素子の磁化方向の向きと、その画素に隣接する画素に含まれる素子の磁化方向の向きとが相互に干渉して、それぞれの素子で実現したい磁化方向の向きが得られなくなって、所望する光の階調表現が実現されない状況が生じるおそれがある。また、明状態と暗状態の２階調を作り出すＭＯＳＬＭでも、所定の画素がこれに隣接する画素の状態の影響を受けて、本来の明状態又は暗状態とならないおそれもある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、精密な階調表現を可能にする空間光変調器を提供することを目的とする。

本発明に係る空間光変調器は、複数の画素が所定パターンで二次元配置され、前記複数の画素がそれぞれ、複数の光変調素子を具備し、かつ、前記複数の光変調素子を駆動したときに各光変調素子が取り得る状態の組合せによって反射光又は透過光の強さの異なる複数の光状態の中から選択される所定の光状態を取り得、前記複数の光状態によって光の階調を作り出す空間光変調器であって、前記複数の画素のうち所定画素を前記所定の光状態としたときに、前記所定画素に隣接する少なくとも１つの画素が具備する複数の光変調素子を駆動しないことによって、前記所定画素の光の階調を制御する制御部を具備することを特徴とする。

このような空間光変調器の構成によれば、所定の画素においてその光状態を決める光変調素子の形態が、隣接する画素を構成する光変調素子の駆動の影響を受け難くなるために、例えば、この空間光変調器を用いて映像や画像を表示する場合に、精密な階調表現が可能になる。

本発明に係る空間光変調器は、前記所定パターンが前記複数の画素を互いに直交する行方向と列方向とに一定間隔で配置した二次元マトリックスパターンであり、前記制御部は、前記二次元マトリックスパターンの奇数行に位置する一群の画素と偶数行に位置する一群の画素の一方を前記所定の光状態にする際に他方が具備する複数の光変調素子を駆動せず、又は、前記二次元マトリックスパターンの奇数列に位置する一群の画素と偶数列に位置する一群の画素の一方を前記所定の光状態にする際に他方が具備する複数の光変調素子を駆動せず、又は、前記二次元マトリックスパターンで千鳥状に位置する二群の画素の一方を前記所定の光状態にする際に他方が具備する複数の光変調素子を駆動しない構成となっていることを特徴とする。

このような空間光変調器の構成によれば、簡単な制御によって精密な階調表現が可能になる。

本発明に係る空間光変調器は、前記複数の光状態が、光を検出可能な明状態と、光を検出不能な暗状態と、前記明状態と前記暗状態との中間状態であることを特徴とする。

このような空間光変調器の構成によれば、３つの光状態、すなわち３階調による光変調が可能になるため、例えば、この空間光変調器を用いて映像や画像を表示する場合に、精密な階調表現が可能になる。

本発明に係る空間光変調器は、前記光変調素子が磁気光学素子であり、かつ、前記複数の光変調素子が取り得る状態の組合せとは、複数の前記磁気光学素子の磁化方向の向きの組合せであり、１つの前記画素内において、複数の前記磁気光学素子は、隣接する前記磁気光学素子同士の磁気的な結合によって磁化方向の向きが変化するように配置され、前記制御部は、前記複数の画素ごとに前記磁化方向の向きの組合せを制御することを特徴とする。

このような空間光変調器の構成によれば、磁気光学素子を用いることにより、高精細でしかも高速駆動が可能になる。

本発明に係る空間光変調器では、前記磁気光学素子がスピン注入磁化反転素子であり、前記制御部が、前記スピン注入磁化反転素子の磁化方向の向きを、パルス電流又は直流電流の流れる方向によって制御することを特徴とする。

スピン注入磁化反転素子としては、具体的には、ＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）素子及びＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance）素子が挙げられる。光変調素子としてＣＰＰ−ＧＭＲ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、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素子は、磁気抵抗変化が大きいために、信頼性に優れている。

本発明に係る空間光変調器によれば、所定の画素においてその光状態を決める光変調素子の形態が、隣接する画素を構成する光変調素子の駆動の影響を受け難くなるために、例えば、空間光変調器を用いた映像や画像の精密な階調表現が可能になる。また、本発明によれば、簡単な制御によって、このような精密な階調表現が可能になる。さらに、画素が具備する光変調素子として磁気光学素子を用いることによって、高速変調が可能となり、また、画素の微細化により高精細な映像や画像を表現することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る空間光変調器を用いて構成された映像表示装置の概略構成図である。 空間光変調器の構造を模式的に示す平面図である。 （ａ）は画素の構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｃ−Ｃ断面図である。 光変調素子による光変調の形態（空間光変調器の動作の形態）を模式的に示す説明図であり、（ａ）は明状態を示し、（ｂ）は暗状態を示す。 １つの画素において２個の光変調素子が取り得る形態を模式的に表した平面図であり、（ａ）は光変調素子の固定層の磁化方向の向きを示し、（ｂ）は光変調素子の反転層の磁化方向の向きとその変化を示す。 光変調素子に流れる電流の大きさと抵抗との関係を模式的に表した説明図（グラフ）である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ３種類の画素の概略構成と抵抗−電流密度特性を示すグラフである。 空間光変調器を構成する複数の画素の具体的な光状態の制御形態を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は画素の組分けの例を示す模式図であり、（ｄ）は組分けされた画素の駆動波形を示す模式図である。 （ａ）は実施例で使用する光変調素子の概略構成を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の光変調素子の４素子配置の構成を示す模式図である。 実施例における階調動作試験の結果を示すグラフである。 実施例におけるマイクロ磁気シミュレーションによるスピン注入磁化反転過程の解析を説明するための模式図である。

以下、本発明の空間光変調器を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、ここでは本発明に係る空間光変調器を用いて構成された映像表示装置を例に挙げて、図面を参照して詳細に説明する。

《映像表示装置の概略構造》
図１に本発明の一実施形態に係る空間光変調器を用いて構成された映像表示装置の概略構成図を示し、図２に図１に示した空間光変調器の構造を模式的に表した平面図を示す。映像表示装置１は、レーザ光源２と、スクリーン３と、偏光フィルタ４ａ，４ｂと、空間光変調器１０とを備えている。空間光変調器１０は、その駆動制御を行うための制御部１８を備えている。

空間光変調器１０は反射型変調器であり、映像表示装置１では、レーザ光源２から照射された光が偏光フィルタ４ａを介して空間光変調器１０に入射し、その反射光が偏光フィルタ４ｂを介してスクリーン３に出射されることで、スクリーン３に映像が表現される。

空間光変調器１０では、光変調素子として、後記するように、磁気光学素子（スピン注入磁化反転素子）を用いることが好ましく、これによりスクリーン３に映し出される映像の高精細化と高速表示が可能となる。空間光変調器１０は、磁気光学素子のカー効果を利用する場合には、空間光変調器１０のように反射型変調器となり、磁気光学素子のファラデー効果を利用する場合には透過型（図示せず）となる。したがって、本発明の別の実施形態に係る空間光変調器として、透過型のものを用いて映像表示装置を構成することができる。

《空間光変調器の概略構造》
図１に示されるように、空間光変調器１０は、図示しない基板上に設けられた下部電極１２と、下部電極１２上に一定の間隔で設けられた２個を１組とする光変調素子１３ａ，１３ｂ〔光変調素子１３ａ，１３ｂは図１が描かれた紙面に垂直な方向に位置しており、図１では重複している（図３参照）〕と、光変調素子１３ａ，１３ｂ上に設けられた上部電極１１とを備えている。

［下部電極］
下部電極１２は、光変調素子１３ａ，１３ｂを駆動するための一対の電極の一方であり、短冊状の形状を有し、その幅方向に一定間隔で平行に配置されている。下部電極１２は、例えば、Ｔａ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｃｕ等の一般的な電極用金属材料で構成することができる。

［上部電極］
上部電極１１は、光変調素子１３ａ，１３ｂを駆動するための一対の電極の他方であり、図２に示されるように、短冊状の形状を有し、その幅方向に一定間隔で平行に、かつ、その長手方向が下部電極１２の長手方向と直交するように、配設されている。上部電極１１には、入射光が光変調素子１３ａ，１３ｂに効率よく到達できるように、酸化インジウム錫（Indium Tin Oxide；ＩＴＯ）等の透明電極材料が用いられる。なお、空間光変調器を透過型とする場合には、下部電極１２としても、透明電極材料を用いる。

［画素］
空間光変調器１０は、図２に示されるように、４本の下部電極１２と４本の上部電極１１とをそれぞれ直交させた構造を有しており、図２の平面視における下部電極１２と上部電極１１とが交差する１６カ所の領域部がそれぞれ、画素２０となる。すなわち、空間光変調器１０は、１６個の画素２０が、互いに直交する行方向（４行）と列方向（４列）とに一定間隔で配置された二次元マトリックスパターンで配置された構造を有しており、１つの画素２０が、レーザ光源２から入射する光を変調して出射する１つのユニットとなっている。そして、複数の画素２０は、それぞれが複数の光変調素子を具備する。

［光変調素子］
図３（ａ）に画素の構成を表した平面図を示し、図３（ｂ）に図３（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図を示し、図３（ｃ）に図３（ａ）の矢視Ｃ−Ｃ断面図を示す。各画素２０に１組の光変調素子１３ａ，１３ｂが配設されている。光変調素子１３ａ，１３ｂはそれぞれ、実質的に同じ形状及び構造を有しており、ここでは、図３（ａ）に示すように平面視で長方形のものを例示している。なお、光変調素子１３ａ，１３ｂの形状は、これに限定されるものではなく、画素２０の形状に応じて、適宜、好適な形状を選択することができる。例えば、下部電極１２の幅と上部電極１１の幅とに差を設けた場合には、画素２０の形状が平面視で長方形となるため、その画素２０の長手方向に正方形の光変調素子１３ａ，１３ｂを２個配置した構造とすることができる。

１つの画素２０において、光変調素子１３ａ，１３ｂは、上部電極１１及び下部電極１２に対して並列接続された状態となっている（適宜、図１，２参照）。光変調素子１３ａ，１３ｂ同士の間隔を“Ｌ”とする。この間隔Ｌは、光変調素子１３ａ，１３ｂの光変調特性に影響を与えるパラメータであり、後に１個の画素２０において光変調素子１３ａ，１３ｂが取り得る形態について説明する際に、詳細に説明する。

光変調素子１３ａ，１３ｂはそれぞれ、下部電極１２上に設けられた固定層（磁化固定層）１０１と、固定層１０１上に設けられた中間層１０２と、中間層１０２上に設けられた反転層（磁化反転層）１０３とを備えており、反転層１０３上に上部電極１１が設けられている。画素２０の領域内において光変調素子１３ａ，１３ｂが形成されている空間以外の空間は、絶縁体（封止材）１０４で占有されている。

光変調素子１３ａ，１３ｂはスピン注入磁化反転素子であり、具体的には、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子である。したがって、固定層１０１は、強磁性材料からなり、磁化方向が所定方向（長さ方向と平行な方向の一方の向き）に固定されている。中間層１０２は非磁性材料からなる非磁性層又は絶縁材料からなる絶縁層であり、光変調素子１３ａ，１３ｂは、中間層１０２が非磁性層の場合にはＣＰＰ−ＧＭＲ素子となり、中間層１０２が絶縁層の場合にはＴＭＲ素子となる。反転層１０３は、強磁性材料からなり、一般的に初期状態では、その磁化方向は固定層１０１での磁化方向とは反対に揃えられる。

［空間光変調器の製造方法］
例えば、シリコン（Ｓｉ）、石英又は石英ガラス（ＳｉＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）等の基板上に、下部電極１２としての金属層（例えば、Ｃｕ等）を、蒸着法やスパッタリング法等により成膜した後、この金属層をフォトリソグラフィ法とドライエッチング法等によって、短冊状（図２参照）にパターニングし、その後、下部電極１２間をＳｉＯ_２等の絶縁材料で埋める。なお、この下部電極１２の形成には、所謂、リフトオフ法を用いてもよい。

続いて、下部電極１２上に、固定層１０１、中間層１０２及び反転層１０３を逐次成膜する。ここでは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法やスパッタリング法等を用いることができる。固定層１０１には、例えば、ホイスラー合金（Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｕ_２ＭｎＡｌ等）等の磁性合金が用いられるが、これとＩｒＭｎ等のスピン固着層とを組み合わせた積層構造としてもよい。

光変調素子１３ａ、１３ｂがＣＰＰ−ＧＭＲ素子である場合には、中間層１０２には、Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｕ合金等の非磁性金属又は合金が好適に用いられる。このうちＣｕは電気抵抗が小さくバリア効果が高いので、特に好適に用いられる。光変調素子１３ａ，１３ｂがＴＭＲ素子である場合には、中間層１０２は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やマグネシア（ＭｇＯ）等の絶縁材料から構成され、その厚さは、スピン偏極電子がトンネルできる程度の厚さである数ｎｍ以下とされる。

反転層１０３は、固定層１０１と同じ材料で構成することもできるが、スピン注入により容易に磁化方向が反転することができる材料であって、磁気光学カー効果の大きい材料（偏極率が比較的高い強磁性材料）を選択することが好ましい。なお、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ため、偏極率は５０％以上であることが好ましい。

こうして反転層１０３が形成された後に、光変調素子１３ａ，１３ｂを形成すべき領域をレジストパターン等でマスクし、露出面を下部電極１２の上面の高さまでドライエッチング等により掘り下げる。こうして形成された溝（空間）をＳｉＯ_２等の絶縁材料にて封止することで、絶縁体１０４を形成する。続いて、レジストパターンを除去し、必要に応じてＣＭＰ等の平坦化処理を施す。その後、上部電極１１を成膜することにより、１６カ所に画素２０が形成される。上部電極１１間には、下部電極１２間と同様に、ＳｉＯ_２等の絶縁材料が充填される。

なお、空間光変調器１０は反射型構造であるため、反転層１０３は透光性の高い材料で構成されることが好ましく、固定層１０１及び中間層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、空間光変調器を透過型とする場合には、固定層１０１、中間層１０２及び反転層１０３のみならず、これらを支持する基板についても、透光性の高い材料で構成することが好ましい。

［制御部］
制御部１８は、４本の上部電極１１から電流を流す上部電極を選択する上部電極選択部１４と、４本の下部電極１２から電流を流す下部電極を選択する下部電極選択部１５と、上部電極選択部１４及び下部電極選択部１５に電流を供給する電流源１６と、上部電極選択部１４、下部電極選択部１５及び電流源１６を制御する電流制御手段１７とを備えている。

上部電極選択部１４は、電流制御手段１７からの指令（信号）を受けて、１６カ所の画素２０の中から図２に示した縦方向に配置された画素を選択し、下部電極選択部１５は、電流制御手段１７からの指令（信号）を受けて、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及び下部電極選択部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、電流制御手段１７からの指令（信号）を受けて、画素２０にパルス電流（又は直流電流）を供給する。電流制御手段１７は、所謂、コンピュータであり、各画素２０に流れる電流の方向および大きさを決定し、制御する。

［光変調素子による光変調（空間光変調器の動作）］
図４に光変調素子による空間光変調の形態（空間光変調器の動作の形態）を模式的に表した説明図を示す。ここで、図４（ａ）は明状態を示し、図４（ｂ）は暗状態を示している。「明状態」とは、光変調素子１３ａ（１３ｂ）からの反射光が偏光フィルタ４ｂを通過してスクリーン３に照射される状態をいい、このとき「光変調素子１３ａ（１３ｂ）が明状態にある」ということとする。また、「暗状態」とは、光変調素子１３ａ（１３ｂ）からの反射光が偏光フィルタ４ｂによって遮光されて、スクリーン３に照射されない状態をいい、このとき「光変調素子１３ａ（１３ｂ）が暗状態にある」ということとする。

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。こうしてフィルタリングされた光が透明な上部電極１１を透過して光変調素子１３ａ（１３ｂ）に入射し、光変調素子１３ａ（１３ｂ）で反射される。光変調素子１３ａ（１３ｂ）の固定層１０１における磁化方向は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、左向き矢印で示される向きに固定されているとする。電流制御手段１７は光変調素子１３ａ（１３ｂ）に流す電流の大きさや向きを変えることで、光変調素子１３ａ（１３ｂ）にスピン注入を行い、反転層１０３の磁化方向の向きを制御する。

図４（ａ）に示す明状態では、光変調素子１３ａ（１３ｂ）には電流は流れておらず、又は、電流源１６によって、下部電極１２から光変調素子１３ａ（１３ｂ）を通して上部電極１１へ向かう方向に電流が流されている。この状態では、反転層１０３の磁化方向は右向きの矢印で示される向きとなっており、反射光は偏光面を変えることなく、光変調素子１３ａ（１３ｂ）で反射され、偏光フィルタ４ｂ（偏光フィルタ４ａと同特性）を通過して、スクリーン３に到達する。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４（ｂ）に示す暗状態では、電流源１６によって、上部電極１１から光変調素子１３ａ（１３ｂ）を通して下部電極１２へ向かう方向に電流が流されている。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と同じ左向きの矢印の向きとなるように回転（反転）する。この反転状態では、反転層１０３の磁化方向（左向きの矢印）にしたがう磁気光学的カー効果により、反射光の偏光面が回転する。こうして、反射光は入射光とは異なる偏光成分を有することとなるために、偏光フィルタ４ｂを通過することができない。その結果、スクリーン３は暗くなることとなる。このように、下部電極１２と上部電極１１との間で流す電流の向きを切り替えることによって、光変調素子１３ａ（１３ｂ）における、光を検出可能な明状態と光を検出不能な暗状態とを切り替えることができる。

［１画素内において２個の光変調素子が取り得る形態］
図５に１画素において２個の光変調素子が取り得る形態を模式的に表した平面図を示す。ここで、図５（ａ）は光変調素子の固定層の磁化方向の向きを示しており、図５（ｂ）は光変調素子の反転層の磁化方向の向きとその変化の形態を示している。図５（ａ）に示すように、光変調素子１３ａ，１３ｂの各固定層１０１における磁化方向は、右から左に向かう矢印で示される向きに固定されているものとする。

光変調素子１３ａ，１３ｂの各固定層１０１と各反転層１０３は、前記したように強磁性材料からなる磁性体（磁気光学素子（スピン注入磁化反転素子））であり、近接する複数の磁性体は、外部磁界のない状態では擬似的に一体の磁性体として磁気的に安定するために、互いに異なる磁化方向を示して磁気エネルギーを小さくしようとする。光変調素子１３ａ，１３ｂ同士の間隔Ｌ（図３参照）は、この性質に大きな影響を与えるパラメータであり、光変調素子１３ａ，１３ｂ同士の間隔Ｌを所定の範囲とすることにより、図４を参照して説明した明状態と暗状態のみならず、図５（ｂ）に示す「中間状態」を作り出すことができる。

図５（ｂ）に示す「中間状態」を説明するために、図６に光変調素子に流れる電流の大きさと抵抗との関係を模式的に表した説明図（グラフ）を示す。スピン注入磁化反転素子には、固定層と反転層の磁化方向が同じ向きであるときに電気抵抗（以下単に「抵抗」という）が小さく、逆向きであるときに抵抗が大きいという性質があり、この性質は光変調素子１３ａ，１３ｂにも当てはまる。したがって、光変調素子１３ａ，１３ｂの抵抗は、明状態→中間状態→暗状態の順で段階的に小さくなる。下部電極１２から光変調素子１３ａ，１３ｂを通って上部電極１１へ流れる電流の向きを正方向として「＋Ｉ」で示し、逆に、上部電極１１から光変調素子１３ａ，１３ｂを通って下部電極１２へ流れる電流の向きを負方向として「−Ｉ」で示すこととする。

例えば、画素２０が図５（ｂ）に示す「明状態」にあるときには、光変調素子１３ａ，１３ｂが共に明状態にあり、光変調素子１３ａ，１３ｂの反転層１０３の磁化方向は、固定層１０１の磁化方向とは反対の左から右に向かう矢印の向きとなっている。このとき、図６に示されるように、光変調素子１３ａ，１３ｂには電流＋Ｉ_１が流れており、抵抗値（光変調素子１３ａ，１３ｂ全体の抵抗値）はＲ_３を示しているとする。なお、電流＋Ｉ_１の大きさは、光変調素子１３ａ，１３ｂの明状態を安定に維持することができる大きさである。

この状態から光変調素子１３ａ，１３ｂに流す電流の絶対値を徐々に小さくしていっても、反転層１０３の磁化方向が変化しなければ抵抗値Ｒ_３は殆ど変化しない。その後、電流の向きを反転させて電流の絶対値を徐々に大きくしていくと、電流−Ｉ_２になった時点で、光変調素子１３ａ，１３ｂのいずれか一方の反転層１０３の磁化方向が反転して暗状態となるが、他方の反転層１０３は反転せずに明状態を維持する。この状態が中間状態であり、抵抗はＲ_２（Ｒ_２＜Ｒ_３）となる。この中間状態では、１つの画素２０から反射されて偏光フィルタ４ｂを通過する光の量は、原理的には、明状態の場合の１／２となる。図５（ｂ）に示される２つの中間状態は実質的に同じものであり、偏光フィルタ４ｂを通過する光の量は同じとなる。

さらに電流の絶対値を徐々に大きくしていくと、電流−Ｉ_３になった時点で、光変調素子１３ａ，１３ｂのうち中間状態において明状態を維持していた素子の反転層１０３の磁化方向が反転して、図５（ｂ）に示す「暗状態」となり、抵抗はＲ_１（Ｒ_１＜Ｒ_２）となる。このように、電流−Ｉ_２〜−Ｉ_３の間で中間状態が維持され、この電流−Ｉ_２〜−Ｉ_３の範囲が広いほど、中間状態で維持する制御は容易となる。光変調素子１３ａ，１３ｂの両方が暗状態となって画素２０が暗状態となった後には、さらに電流−Ｉ_４まで電流の絶対値を大きくしても、光変調素子１３ａ，１３ｂの抵抗はＲ_１で維持される。なお、電流−Ｉ_４の大きさは、光変調素子１３ａ，１３ｂの暗状態を安定に維持することができる大きさとする。

暗状態にある光変調素子１３ａ，１３ｂに流す電流の絶対値をその向きを変えずに徐々に小さくしていっても、反転層１０３の磁化方向が変化しなければ抵抗値Ｒ_１は殆ど変化しない。その後、電流の向きを反転させて電流の絶対値を徐々に大きくしていくと、電流＋Ｉ_５になった時点で、光変調素子１３ａ，１３ｂのいずれか一方の反転層１０３の磁化方向が反転して明状態となるが、他方の反転層１０３は反転せずに暗状態を維持し、中間状態となる。さらに電流の絶対値を大きくしていくと、電流＋Ｉ_６になった時点で、光変調素子１３ａ，１３ｂのうち中間状態において暗状態を維持していた素子の反転層１０３の磁化方向が反転して明状態となる。こうして、画素２０全体が明状態となる。さらに、電流＋Ｉ_１まで大きくしても、光変調素子１３ａ，１３ｂの明状態は維持される。

［中間状態を安定して作り出すことができる光変調素子の具体例］
図７（ａ）〜（ｃ）に３種類の画素の概略構成と抵抗−電流密度特性を表したグラフを示す。各画素が備える光変調素子は、平面視で３００ｎｍ×１００ｎｍの長方形形状を有する。図７（ａ）は、１画素が１つの光変調素子を備えている場合（１画素−１素子構造）の特性を示している。図７（ｂ）は１画素が２個の光変調素子を備えており（１画素−２素子構造）、２個の光変調素子が間隔Ｌ＝０．３μｍで並べられた場合の特性を示している。図７（ｃ）は１画素が２個の光変調素子を備えており、２個の光変調素子が間隔Ｌ＝１μｍで並べられた場合の特性を示している。

図７（ａ）〜（ｃ）の各グラフでは、縦軸に抵抗値（ｄＶ／ｄＩ）を、横軸に光変調素子の電流密度を取っている。電流密度は、１個の光変調素子に流れる電流値を平面視面積で除したものである。図７（ｂ），（ｃ）の特性を示す画素では光変調素子は並列接続されているために、その駆動のためには、図７（ａ）の特性を示す画素の駆動に必要な電流の２倍の電流が必要である。電流に代えて電流密度を用いることにより、１個の光変調素子の特性に標準化できる。光変調素子の層構造を表１に示す。ここでは、光変調素子の抵抗変化を正確に測定する観点から、上部電極として導電性に優れるＣｕを用いている。なお、光変調素子の製造プロセスにおいて、反転層（磁化反転層）を保護するために保護層を設けている。

図７（ａ）〜（ｃ）に示す３種類の画素の全ての光変調素子の磁化方向を、パルス幅：５００μｓのパルス電流により、明状態（図４、図５参照）となるようにした後、光変調素子の反転層から固定層に向けてパルス電流の大きさを次第に大きくしながら供給し、このときに上部電極と下部電極との間の抵抗値を測定して、電流値から換算した電流密度との関係を調べた結果が、図７（ａ）〜（ｃ）に示されている。なお、固定層から反転層へ流れる電流の向きを「＋」としているために、電流密度は負の値で示されている。また、スピン注入磁化反転素子において反転層の磁化方向が反転するときの電流密度（以下「反転電流密度」という）には一定のばらつき（分布幅）を有することが知られているため、この測定を１２０回行って得られた平均値から反転電流密度Ｊｃが求められている。

図７（ａ）に示されるように、１画素−１素子構造の場合には、他の光変調素子からの磁化の影響を受けないために、反転層の磁化方向の反転を示す急激な抵抗変化は１ステップのみ観察され、このときの反転電流密度Ｊｃは、平均で−３．９×１０^７Ａ／ｃｍ^２である。一方、図７（ｂ）に示されるように、１画素−２素子構造で間隔Ｌが０．３μｍの場合には、抵抗は２ステップで最大（明状態）から最小（暗状態）へと変化している。抵抗が最大値から最大値と最小値のほぼ中間の値に変化する１ステップ目（反転電流密度Ｊｃ_１＝−３．６×１０^７Ａ／ｃｍ^２）は、明状態から中間状態への変化を示している。抵抗が中間値から最小値に変化する２ステップ目（反転電流密度Ｊｃ_２＝−４．５×１０^７Ａ／ｃｍ^２）は、中間状態から暗状態への変化を示している。このように、光変調素子（反転層）の磁化反転における１ステップ目と２ステップ目との電流密度の差が大きいほど、画素を安定した中間状態に維持することができる。

図７（ｃ）に示されるように、１画素−２素子構造で間隔Ｌが１μｍの場合にも、抵抗は２ステップで最大（明状態）から最小（暗状態）へと変化しているが、１ステップ目（反転電流密度Ｊｃ_１＝−３．７×１０^７Ａ／ｃｍ^２）と２ステップ目（反転電流密度Ｊｃ_１＝−３．９×１０^７Ａ／ｃｍ^２）との電流密度の差が極めて小さい。これは、測定を行った１２０回のうち、抵抗の最大値から最小値への変化が１ステップで終了したときと２ステップ抵抗が変化したときとがあり、その平均値を取ったことによる。このことは、光変調素子同士の間隔Ｌを広く取ったことで、光変調素子同士の磁化の相互作用が小さくなっていることを示しており、このような画素では、安定して中間状態を維持することができない。図７（ｂ），（ｃ）に示される特性から、１画素−２素子構造において中間状態が安定して得られる光変調素子間の間隔Ｌは、０．３μｍ以上１μｍ未満と判断することができる。

図７（ｂ），（ｃ）から明らかなように、１画素内に複数の光変調素子が隣接して配置された場合に、光変調素子同士の間隔Ｌを適切に設定することにより、光変調素子同士の磁化の相互作用を利用して中間状態を安定して作り出し、維持することができる。このようにして、複数（ここでは、明状態、暗状態、中間状態の３つ）の光状態を光の階調に割り当てることより、空間光変調器１０の階調表現を精密に行うことができる。

すなわち、空間光変調器１０は、複数の光変調素子（磁気光学素子）を駆動したときに各光変調素子が取り得る状態の組合せによって、反射光（又は透過光）の強さの異なる複数の光状態の中から選択される所定の光状態を取り得、この複数の光状態によって光の階調を作り出すものである。ここで、１つの画素２０内において、複数の磁気光学素子（光変調素子）は、隣接する磁気光学素子同士の磁気的な結合によって磁化方向の向きが変化するように配置され、複数の磁気光学素子の磁化方向の向きの組合せが、複数の磁気光学素子（光変調素子）が取り得る状態の組合せとなる。そして、制御部１８により、複数の画素２０ごとに磁化方向の向きの組合せが制御される。

《空間光変調器の駆動方法》
空間光変調器１０では、光変調素子１３ａ，１３ｂとして、図７（ｂ）に示した特性を有するものが好適に用いられる。しかし、図７（ｂ）は１画素のみの測定結果を示すものである。これに対して、空間光変調器１０は、多数の画素２０が隣接配置された構造を有している。そのため、空間光変調器１０では、ある所定の画素２０が具備する光変調素子１３ａ，１３ｂのいずれか一方又は両方が、その画素２０に隣接する別の画素２０が具備する光変調素子１３ａ，１３ｂのいずれか一方又は両方の磁化の影響を受けることによって、図７（ｂ）に示した特性が再現されないことが生じるおそれがある。

そこで、このような問題を回避する観点から、空間光変調器１０の制御部１８は、１６個の画素２０のうち所定の画素を所定の光状態（明状態、暗状態及び中間状態のいずれか）としたときに、その画素に隣接する少なくとも１つの画素が具備する複数の光変調素子を駆動しないことによって、この画素２０の光状態を制御し、これにより光の階調を制御する。なお、「駆動しない」とは、画素を所定の光状態（明状態、暗状態及び中間状態のいずれか）にしないことをいう。

図８に空間光変調器を構成する複数の画素の具体的な光状態の制御形態を模式的に示す。ここで、図８（ａ）〜（ｃ）は画素の組分けの例を示す模式図であり、（ｄ）は組分けされた画素の駆動波形（縦軸：電流、横軸：時間）の一例を示す模式図である。ここでは、画素２０の配置のパターンは、複数の画素２０を互いに直交する行方向と列方向とに一定間隔で配置した二次元マトリックスパターンである。

図８（ａ）に示す画素２０の駆動形態は、１６個の画素２０を二次元マトリックスパターンの奇数行に位置する一群（「第１群」とする）と偶数行に位置する一群（「第２群」とする）とに組分けし、一方の群に属する画素２０を所定の光状態にする際に、他方の群に属する画素２０が具備する２個の光変調素子（図８（ａ）に図示せず）を駆動しない駆動方法である。

図８（ｂ）に示す画素２０の駆動形態は、１６個の画素２０を二次元マトリックスパターンの奇数列に位置する一群（第１群）と偶数列に位置する一群（第２群）とに組分けし、一方の群に属する画素２０を所定の光状態にする際に、他方の群に属する画素２０が具備する２個の光変調素子（図８（ｂ）に図示せず）を駆動しない駆動方法である。

図８（ｃ）に示す画素２０の駆動形態は、１６個の画素２０を二次元マトリックスパターンにおいて千鳥状に位置する第１群と第２群とに組分けし、一方の群に属する画素２０を所定の光状態にする際に、他方の群に属する画素２０が具備する２個の光変調素子（図８（ｃ）に図示せず）を駆動しない駆動方法である。

図８（ｄ）に示されるように、第２群駆動波形において電流を流しておらず、したがって、第２群に属する画素２０の光変調素子を駆動していない状態にあるときに、第１群に属する画素２０の光変調素子を第１群駆動波形により駆動し、第１群に属する画素を所定の光状態とする。また、これとは逆の制御が行われる。空間光変調器１０をこのように制御することにより、駆動する画素２０について、これに隣接する画素からの影響を抑制して、所望の光状態を得ることができるようになるため、映像等の階調表現を高めることができる。

なお、図８（ｄ）に示される第１群駆動波形と第２群駆動波形は、電流値の絶対値が異なる２種類のパルスを有しているが、絶対値の大きいパルスは画素２０を明状態（＋Ｉ側）又は暗状態（−Ｉ側）とするパルスであり、絶対値の小さいパルスは画素２０を中間状態にするパルスである。

ところで、１画素−１素子構造を有する複数の画素を備えた空間光変調器において、１画素の大きさが小さくなり、かつ、画素同士の間隔が狭くなった場合には、隣接する２画素を同じ電流で同時に駆動したときに、実質的に、１画素−２素子構造としての挙動が現れて、図７（ｂ）に示す中間状態が作り出される可能性がある。ここで、１画素−１素子構造を有する複数の画素を備えた空間光変調器は、元来、明状態と暗状態との組合せで光の階調を表現することを目的としたものであり、このような中間状態を作り出されてしまうことで、本来得られるべきコントラストが得られなくなるおそれがある。１画素−１素子構造を有する複数の画素を備えた空間光変調器においても、所定の画素を所定の光状態（明状態、暗状態）としたときに、その画素に隣接する少なくとも１つの画素が具備する光変調素子を駆動しないことによって、その画素の光状態を所望する光状態に制御することができる。

なお、所定の画素を所定の光状態としたときに、その画素に隣接する全ての画素が具備する複数の光変調素子を駆動しないことが好ましいが、その画素に隣接する１つの画素のみについて光変調素子を駆動しないことでも、効果は得られる。
ここで、複数の光変調素子で構成される画素において、材料の磁気異方性に基づいて複数の光変調素子の配置を設計することで、その画素に隣接する１つの画素のみについて光変調素子を駆動しないことも可能である。
配置の設計としては、例えば、光変調素子について磁化方向が水平方向（層方向に平行な方向）である材料を用いた場合、「縦：０．０２〜０．２μｍ，横：０．０５〜０．５μｍ、かつ、縦＜横」の長方形の形状で、隣接する複数の光変調素子間の距離（画素内の光変調素子と、この画素に隣接する画素内の光変調素子との距離も含む）が、「（縦側面と縦側面の間の距離）＜（横側面と横側面の間の距離）、かつ、０．３μｍ以上」の配置が好ましい。
また、光変調素子について磁化方向が垂直方向（層表面と直交する方向）である場合、「縦：０．０２〜０．５μｍ，横：０．０２〜０．５μｍ、かつ、縦≦横」の長方形（正方形を含む）の形状で、隣接する複数の光変調素子間の距離（画素内の光変調素子と、この画素に隣接する画素内の光変調素子との距離も含む）が、０．０３μｍ以上」の配置が好ましい。

次に本発明に係る空間光変調器の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。ここでは、本発明に属さない構成についても適宜取り上げて、対比説明することとする。

《階調動作試験》
まず、基板Ｓｉウエハ上に、下部電極としてＣｕ電極を形成し、Ｃｕ電極上に前記した光変調素子の製造方法にしたがって、光変調素子を形成した。光変調素子は、マグネトロンスパッタリングにより、固定層として、第１ピンド膜層（膜厚:５ｎｍのＣｏＦｅ膜）および第２ピンド膜層（膜厚１０ｎｍのＣｏＦｅＳｉ膜）、中間層（膜厚６ｎｍのＣｕ膜）、反転層（膜厚６ｎｍのＣｏＦｅＳｉ膜)、保護層（Ｒｕ膜）を、この順序で積層形成することにより行った。本試験では、１画素４素子による階調効果を確認するために、本来は保護層上に形成すべき上部電極を設けずに（図９（ａ）では、破線で示している）、直接に光変調素子に電流を流して反転層の磁化の向きを抵抗より測定することとした。このときのパルス幅は５ｍｓで、測定磁化として１００Ｏｅを印加して行った。図９（ａ）に、作製した光変調素子の概略構成を、（ｂ）に４素子配置（素子サイズ：１００ｎｍ×２４０ｎｍ）の構成を示す。また、試験結果を図１０に示す。

図１０に示されるように、スピン注入駆動電流を流すことによって４段階、すなわち４素子が１素子づつ磁化反転していることわかる。この現象の詳細な解析をマイクロ磁気シミュレーション（ＬＬＧ法；Landau-Liftshitz-Gilbert-Langevin）によって行った（図１１参照（参考文献：JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 07A713（2008）））。本試験で用いているスピン注入駆動電流による磁化反転では、反転層（磁化反転層）の磁化が、定常磁化状態（図１１（ａ））から、前面にわたってインコヒーレントな中間状態（図１１（ｂ））を取ることがシミュレーションから分かっており、この中間状態から最終状態に変化する過程で近接した光変調素子が微弱な磁気的な相互作用を受けることにより、段階的に変化（階調動作）する。このために、隣接する画素を構成する光変調素子が駆動すると、その画素の状態の影響を受けて、本来の明状態又は暗状態とならないおそれがある。そこで、隣接する画素を同時に駆動しないことで、隣接する画素を構成する光変調素子の駆動の影響を受けなくなり、精密な階調表現を可能にする空間光変調器及びその駆動法を提供できるようになる。一方、外部磁場駆動による磁化反転では、中間状態としてインコヒーレントな状態とはならない（図１１（ｃ）（Ｈは、磁化方向を示す））。このため、微弱な磁気的な相互作用に反応せず、階調動作を実現することはできない。

以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明は前記した説明に係る形態に限定されるものではない。例えば、空間光変調器を構成する画素として、２個の光変調素子（実施例では４個）を備えたものを取り上げたが、１画素は、さらに多くの光変調素子を備えていてもよく、各画素を、光変調素子に流す電流の向きと大きさにしたがって、明状態から暗状態（又は暗状態から明状態）へと段階的に変化させることで、複数の異なる中間状態を作り出すことが可能となる。このような画素を備えた空間光変調器を用いて構成された映像表示装置では、映像等の階調表現を、高めることができる。

また、画素２０として同一形状の光変調素子１３ａ，１３ｂを備えた構造のものを取り上げたが、これに限定されず、例えば、本発明者らによる特開２００８−６４８２５号公報に開示された画素、すなわち、形状の異なる複数の光変調素子を備えた画素を用いることができる。

画素２０の駆動形態として、画素２０を第１群と第２群との２組に組分けしたが、この組分けを３組以上としてもよい。例えば、駆動する画素が定まったときに、これに隣接する画素（上下左右斜めの８個）の全ての光変調素子を駆動しないようにして、駆動する画素を逐次移動させる方法を用いることもできる。これにより、駆動する画素に対して、その隣接画素が具備する光変調素子の磁化方向の影響をさらに小さく抑えることができる。

前記した光変調素子１３ａ，１３ｂとしては、磁化方向が水平方向（層表面に平行な方向）である材料を用いたものを示したが、磁化方向が垂直方向（層表面と直交する方向）であるスピン注入磁化反転素子を用いてもよい。また、図４では、図４（ａ）に示す状態を明状態とし、図４（ｂ）に示す状態を暗状態としたが、偏光フィルタ４ａ，４ｂの特性を変更することにより、光変調素子１３ａが図４（ａ）に示した状態にあるときに、反射光が偏光フィルタ４ｂを通過できないようにして暗状態とすることができ、光変調素子１３ａが図４（ｂ）に示した状態にあるときに、反射光が偏光フィルタ４ｂを通過できるようにして明状態とすることができる。

１ 映像表示装置
２ レーザ光源
３ スクリーン
４ａ，４ｂ 偏光フィルタ
１０ 空間光変調器
１１ 上部電極
１２ 下部電極
１３ａ，１３ｂ 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
１８ 制御部
２０ 画素
１０１ 固定層
１０２ 中間層
１０３ 反転層
１０４ 絶縁体（封止材）

Claims (5)

1. 複数の画素が所定パターンで二次元配置され、
   前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を具備し、
   前記複数の光変調素子を駆動したときに各光変調素子が取り得る状態の組合せによって、反射光又は透過光の強さの異なる複数の光状態の中から選択される所定の光状態を取り得、
   前記複数の光状態によって光の階調を作り出す空間光変調器であって、
   前記複数の画素のうち所定画素を前記所定の光状態としたときに、前記所定画素に隣接する少なくとも１つの画素が具備する複数の光変調素子を駆動しないことによって、前記所定画素の光の階調を制御する制御部を具備することを特徴とする空間光変調器。
2. 前記所定パターンは、前記複数の画素を互いに直交する行方向と列方向とに一定間隔で配置した二次元マトリックスパターンであり、
   前記制御部は、前記二次元マトリックスパターンの奇数行に位置する一群の画素と偶数行に位置する一群の画素の一方を前記所定の光状態にする際に他方が具備する複数の光変調素子を駆動せず、又は、前記二次元マトリックスパターンの奇数列に位置する一群の画素と偶数列に位置する一群の画素の一方を前記所定の光状態にする際に他方が具備する複数の光変調素子を駆動せず、又は、前記二次元マトリックスパターンで千鳥状に位置する二群の画素の一方を前記所定の光状態にする際に他方が具備する複数の光変調素子を駆動しないことを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
3. 前記複数の光状態とは、光を検出可能な明状態と、光を検出不能な暗状態と、前記明状態と前記暗状態との中間状態であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空間光変調器。
4. 前記光変調素子は磁気光学素子であり、かつ、前記複数の光変調素子が取り得る状態の組合せとは、複数の前記磁気光学素子の磁化方向の向きの組合せであり、
   １つの前記画素内において、複数の前記磁気光学素子は、隣接する前記磁気光学素子同士の磁気的な結合によって磁化方向の向きが変化するように配置され、
   前記制御部は、前記複数の画素ごとに前記磁化方向の向きの組合せを制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の空間光変調器。
5. 前記磁気光学素子はスピン注入磁化反転素子であり、
   前記制御部は、前記スピン注入磁化反転素子の磁化方向の向きを、パルス電流又は直流電流の流れる方向によって制御することを特徴とする請求項４に記載の空間光変調器。