JP3550861B2 - 光偏向装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射された光を偏向するのに用いられ、特に小型で高い光利用効率を有する光偏向装置、その製造方法及びその光偏向装置を用いた光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光偏向装置は、入射された光の方向を切り換える装置であり、従来の光偏向装置の例として、米国特許第５３１１３６０号明細書に開示されている光偏向装置が挙げられる。
【０００３】
図２６は従来の光偏向装置の構造を示す斜視（一部断面）図である。以下、従来の光偏向装置の構成を説明する。シリコンからなる平板１０１上に酸化シリコン及び窒化シリコンからなる絶縁層１０２を形成する。１０３は支持体であり、酸化シリコンからなる。１０４は残留応力を２００ＭＰａまで低減した窒化シリコン膜であり、窒化シリコン膜１０４は図２６に示すようにパターニングされ、１０５で示す梁の形状をなしており、梁１０５は支持体１０２により両端を支持され中空に浮いた状態となっている。梁１０５は図２６に示すように、互いに平行で、梁の幅と間隔が等しい周期的な構造を有しており、断面が２段のステップ形状からなる、いわゆる２レベルの回折格子を形成している。１０６は印加電極であり平板１０１に電圧を印加する。なお、図２６には図示していないが、梁１０５表面と、梁１０５の間の絶縁層１０２の表面には反射膜として例えばアルミニウムが堆積されている。
【０００４】
図２７は従来例の光偏向装置の動作原理説明図である。図２７において、１１１ａは上部反射膜、１１１ｂは下部反射膜である。１１２は入射光、１１３は０次回折光、１１４ａ，１１４ｂは±１次回折光である。
【０００５】
図２７（ａ）は上部反射膜１１１ａと印加電極１０６に電圧を印加していない状態を示しており、上部反射膜１１１ａと下部反射膜１１１ｂの段差は入射光波長の２分の１になっている。この時、上下の反射膜で反射する光の光路差は往復で１波長となり位相が揃うので、光偏向装置は単なるミラーとして作用し、入射光１１２は０次回折光１１３となり、入射側へ反射される。
【０００６】
次に上部反射膜１１１ａと印加電極１０６に電圧を印加した状態では、上部反射膜１１１ａと平板１０１は梁１０５と空気を挟むコンデンサを形成し、上部反射膜１１１ａには正電荷が、平板１０１には負電荷がチャージされ、この電荷間に静電吸引力が作用するため、図２７（ｂ）に示すように、梁１０５は平板１０１に接触するまで引き寄せられる。この時、上部反射膜１１１ａと下部反射膜１１１ｂの表面の段差は入射光の波長の４分の１となり、それぞれの反射膜で反射する光の光路差は往復で２分の１波長となるため、位相が半波長ずれることにより、互いに打ち消しあって、０次回折光が消滅し、代わりに高次（主に±１次）回折光が出射するようになる。例えば、この時±１次回折光１１４ａ，１１４ｂはそれぞれ４１％の回折効率で発生する。
【０００７】
以上のように、この光偏向装置は上部反射膜１１１ａと印加電極１０６に印加する電圧のオン・オフにより、入射光を変調することが出来る。
【０００８】
従来例では、この様な光偏向装置を２次元アレイ状に配置し、１次回折光を投影レンズ等を用いてスクリーンに投影することで、投射型ディスプレイとしての応用例を挙げている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術の光偏向装置では、２レベルの回折格子として作用とするため、出射光として用いられる１次回折光の回折効率は４１％と低く、光の利用効率がきわめて低いという課題があった。
【００１０】
この解決策として、０次回折光を出射光とすることにより、高い回折効率を得ることが考えられる。従来例の光偏向装置は、電圧オフ時にはミラーとして作用し、電圧オン時には０次回折光が消滅するため、反射損失を考慮しても９０％以上の高い変調効率を得ることができる。しかしながら、このような高い変調効率を得られるのはレーザ光のような極めて波長幅が小さい場合に限られており、波長帯域の広い光を変調する場合には変調効率は大きく低下する。
【００１１】
図２８には、例として波長１０μｍの光を変調するように作製された従来の光偏向装置において、波長に対する０次回折光の回折効率を本発明者らが解析を行った結果を示している。図２８に示すように波長１０μｍでは高い変調率を有しているが、波長の変化にともない、０次回折効率は大きく変化している。図２８に示す波長５〜１４μｍの帯域の光を用いる場合では、出射効率の平均値は、電圧オフ時で６２％、電圧オン時で２４％であり、変調効率は３８％ときわめて低くなる。
【００１２】
また、従来の光偏向装置では、回折光の回折角を変化させることができないため、その用途は光のオン・オフを行うに留まっていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以上のような従来の光偏向装置の課題を解決するため、第１の発明の光偏向装置は、平板と、平板上に形成された支持体と、支持体に両端を支持され周期的に配置された複数の梁と、１本おきの梁の間に形成された凸起と、平板と複数の梁のいずれか一方に形成された、交互に周期的に配置された第１及び第２の電極と、他方に形成された第３の電極とからなり、第１電極及び／または第２電極と、第３電極との間に印加する電圧を調整することにより梁と平板との距離を変化させ、出射する光の方向を変化させることを特徴とする。
【００１４】
また、第２の発明の光偏向装置は、第１電極として機能する部分を有する平板と、平板上に形成された支持体と、支持体に両端を支持され、第２電極として機能する部分を有する複数本の梁と、平板上面及び／または梁下面に形成された突起とを具備し、第１電極と第２電極を同電位とすることで梁が１つの平面内にある第１の状態と、第１電極と第２電極との間に印加する電圧を調整することにより梁が平板側へ変位する際、梁の少なくとも一部が突起により傾斜する第２の状態とを切り換えることで出射する光の方向を変化させることを特徴とする。
【００１５】
また、第３の発明の光偏向装置は、平板と、この平板上に形成された複数の電極と、平板上に形成された支持体と、支持体に両端を支持され、電極として機能する部分を有する密に並列した複数本の梁とを具備し、平板上に形成された複数の各電極と、複数本の梁が有する電極として機能する各部分とが、平板の法線方向において重なり合い、複数の電極に夫々適当な電圧を印加し、複数の梁と平板との距離を変化させることにより、平板に平行な平面内で且つ梁の長手方向に垂直な方向に、周期的な凹凸を形成することを特徴とする。

【００１６】
また、第４の発明の光ピックアップ装置は、光源と、光源から出射された光を偏向する第１または第２または第３の発明の光偏向装置と、光偏向装置から出射された光を光ディスク上に集光する複数のレンズと、光ディスクにより反射された光の一部を受光する受光素子とからなる。
【００１７】
また、第５の発明の画像表示装置は、光源と、光源から出射された光を偏向する第１または第２または第３の発明の光偏向装置を２次元的に配置した光偏向装置アレイと、光偏向装置アレイにより偏向された光の少なくとも一部を投影するレンズとからなる。
【００１８】
また、第６の発明の印字装置は、光源と、光源から出射された光を偏向する第１または第２または第３の発明の光偏向装置を少なくとも１列以上並列に配置した光偏向装置アレイと、光偏向装置アレイにより偏向された光の少なくとも一部が入射する感光体とからなる。
【００１９】
また、第７の発明の赤外線センサは、焦電体と、赤外光を受け、赤外光の少なくとも一部を焦電体に対して出射する第１または第２または第３の発明の光偏向装置を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、第８の発明の光路切換装置は、光伝搬体と、光伝搬体内を伝搬し出射される光を偏向する第１または第２または第３の発明の光偏向装置と、光偏向装置により偏向され得る１つ以上の光路上に光伝搬体を設けたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下本発明の第１の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は実施の形態１の光偏向装置の平面図（ａ）、及びＡ−Ａ’断面図（ｂ）、及びＢ−Ｂ’断面図（ｃ）である。図１において、１は平板であり、例えばシリコン基板であり、表面に周期的な凹凸が形成されている。２は絶縁層であり、例えば酸化シリコンと窒化シリコンの２層からなる。３ａ，３ｂは第１及び第２の電極であり、例えばリンを多量にドープした多結晶シリコン（以下、Ｐ−Ｓｉと略記）からなる。尚、電極３ａ同士は図示しない配線を通じて電気的に同電位になるようにしてあり、電極３ｂ同士についても同様である。さらに、これら電極３ａ，３ｂには図示しない電圧印加手段によりそれぞれ任意の電圧を印加できるようにしている。
【００２２】
図２には電極３ａ，３ｂの配置の一例を示しているが、電極３ａ，３ｂを交互且つ周期的に配置するため、本実施の形態１では、図に示すような対向する２つの櫛形形状の電極３ａ，３ｂとしている。
【００２３】
図１の４は絶縁層であり、例えば窒化シリコンからなる。５は支持体であり、例えばリンを多量にドープした酸化シリコン（以下、ＰＳＧと表記）からなる。６は梁であり、例えばシリコンの含有比を大きくすることで、膜内に残留する引張応力を１５０ＭＰａにまで低減した窒化シリコンからなる。図１（ｃ）に示すように、梁６は支持体５により両端を支持され、中空に浮いている。８は反射膜であり、例えばＡｕ（金）からなる。反射膜８は、表面の凹凸や梁６上に堆積されて反射膜７ａ〜７ｄを形成している。なお、反射膜７ａ，７ｂは第３の電極としても機能する。９は凸起である。
【００２４】
図３（ａ）〜（ｆ）は実施の形態１の光偏向装置の製造工程を示す断面図であるが、同図において図１と同一物には同一番号を附記し説明を省略する。図３において１１は犠牲層である。１２は弾性体層である。本実施の形態１の光偏向装置は、例えば垂直に入射された波長０．６５μｍの光を偏向できるように設計しているが、これら光の波長や入射角度が変化しても設計により対応が可能なものであり、本光偏向装置に何等制限を加えるものではない。
【００２５】
以下、図３に従って、製造工程を説明する。
（ａ）シリコンからなる平板１を、例えばドライエッチング（以下、Ｄ／Ｅと表記）により、例えば０．１６μｍ掘り下げ、さらに溝の底面の一部をＤ／Ｅし、例えば０．３２μｍ掘り下げる。
【００２６】
（ｂ）その後、例えば、酸素雰囲気中で１０５０℃で１時間酸化を行い、例えば０．１μｍ厚の酸化シリコンを形成した後、減圧化学気相成長法（以下、ＬＰＣＶＤと表記）により窒化シリコンを例えば０．１μｍ堆積して絶縁層２を形成する。
【００２７】
（ｃ）例えばＬＰＣＶＤにより全面にＰ−Ｓｉを、例えば０．３μｍ成膜し、次に、窒素雰囲気中で１０５０℃で３０分間アニールすることによりシート抵抗を例えば３０Ω・ｃｍまで低減する。次に、Ｐ−Ｓｉ層をパターニングし、電極３ａ，３ｂを形成した後、ＬＰＣＶＤにより窒化シリコンを、例えば０．２μｍ堆積し、絶縁層４を形成する。
【００２８】
（ｄ）例えばＬＰＣＶＤにより、例えばＰＳＧを例えば１μｍ堆積し、全面を等方的に、例えば０．７８μｍＤ／Ｅすることで、最大厚さ０．２２μｍの平坦な面を有する犠牲層１１を得る。尚、表面の平坦性を更に改善するため、アルカリ液に粒径数１０μｍの微粒子を混濁した液を用いて、機械的、化学的に研磨（以下、ＣＭＰ法と表記）してもよい。
【００２９】
（ｅ）例えばＬＰＣＶＤにより、例えばシリコンの含有比を大きくすることで、膜内に残留する引張応力を１５０ＭＰａにまで低減した窒化シリコンを、例えば０．１μｍ堆積して弾性体層１２を形成する。
【００３０】
（ｆ）例えばＤ／Ｅにより弾性体層１２をパターニングし、梁６の形状を得る。次に、例えば弗酸により犠牲層１１をウェット・エッチングすることで、梁６の下の犠牲層を除去する。なお、この時、全ての犠牲層を除去せずに残すことで、図１（ｃ）に５で示す支持体を形成する。最後に、例えばステンシルマスクを通して、例えば蒸着により、例えばＡｕを０．１μｍ堆積することにより、反射膜７ａ〜７ｄ，８を形成する。
【００３１】
以上の工程により光偏向装置が製造される。
次に、図４を用いて、本実施の形態１の光偏向装置の動作原理について説明する。なお、図４において図１、図３と同一物には同一番号を附記し、説明を省略する。図４において、１５は入射光、１６及び１７は１次回折光である。
【００３２】
本実施の形態１の光偏向装置は、１本おきの梁を交互に駆動することで動作する。駆動は電極３ａ，３ｂと反射膜７ａ，７ｂの間に電圧を印加することで達成される。反射膜７ａ，７ｂにはバイアス電位Ｖ_Ｂ を印加、例えば本実施の形態では接地（Ｖ_Ｂ＝０Ｖ）している。この時、電極３ａを反射膜７ａ，７ｂと同電位、例えば接地し、電極３ｂに電圧Ｖを印加すると、電極３ｂと反射膜７ｂの間に静電吸引力が発生し、電極７ｂの下の梁６は平板１側へたわみ、図４（ａ）の状態となる。なお平板１の電位は、浮上している反射膜７ａへ静電力が作用しないように、反射膜７ａと同電位、例えば接地している。
【００３３】
図４（ａ）の状態では、反射膜７ａ，７ｃ，７ｂ，７ｄは、それぞれ段差ｔで右下がりの４段階の周期的なステップ形状、いわゆる４レベルの回折格子を形成する。４レベルの回折格子では、１次回折光は８１％という高い効率で出射される。なお、最適な段差ｔは、回折格子の深さｄの１／３である。変調対象の光の波長をλ、光の入射角をθとすると、深さｄの最適値は
（３λ）／（８ｃｏｓθ）で表される。図４（ａ）の状態の光偏向装置に、同図に示す様に光が入射した場合、周期をΛとすると、α＝ｓｉｎ^−１（λ／Λ）で表される回折方向に１次回折光が出射される。
【００３４】
同様にして、電極３ａに電圧Ｖを印加し、電極３ｂにＶ_Ｂ（＝０Ｖ）を印加すると、図４（ａ）とは逆に、反射膜７ａ下の梁６が吸引され、反射膜７ｂ下の梁は中空に浮上した状態となる。この時、β＝ｓｉｎ^−１（λ／Λ）で表される方向に１次回折光が出射される。
【００３５】
また、本光偏向装置の特徴として、−１次回折光がほとんど発生しないことが挙げられる。この為、垂直に光を入射し光を偏向させる場合、１次回折光の出射方向には、切り換えにともなって−１次回折光が混入しないため、高いＳ／Ｎで光の切り換えが可能である。
【００３６】
図５は、垂直入射（θ＝０°）の場合の、線幅（梁の幅）δ（＝Λ／４）と１次回折角の関係を示している。本実施の形態の光偏向装置では、δ＝１μｍとして作製を行っているため、１次光の回折角α＝９°、−１次光の回折角β＝９°が得られた。
【００３７】
以上のように本実施の形態の光偏向装置は、平板上に形成された凸部に並列して梁を形成し、１本おきの梁群を駆動し、残りの梁群を中空に浮上したまま保持することで４レベルの回折格子を形成し、それぞれの梁群の下降と浮上を入れ換えることにより、異なる方向に１次回折光を出射することが可能である。４レベルの回折格子であるため、１次回折光の回折効率は８１％の高い値が得られる。さらに、４レベルの回折格子の特性上、−１次の回折光はほとんど出射しないため、例えば偏向方向の切り換え時に１次回折光と−１次回折光の出射方向が重なる場合でも高いＳ／Ｎで光の切り換えを行うことが可能である。
【００３８】
一方図６には、同様な原理で動作する本実施の形態１の光偏向装置の第２の構造例を示している。なお、図６において図１と同一物には同一番号を附記し説明を省略する。図６に示すように、第２の構造例の光偏向装置は、電極７ａ，７ｂの下の梁６が隣接して配置されていることを特徴としている点が図１の光偏向装置と異なっているが、その製造工程は図１の光偏向装置と同様である。
【００３９】
図７には第２の構造例の光偏向装置の動作原理を示しているが、図７において図４と同一物には同一番号を附記し説明を省略する。本光偏向装置の駆動は図１の光偏向装置と同様にして達成され、電極３ａ，３ｂと反射膜７ａ，７ｂの間に電圧を印加して達成される。図４で説明した原理と同様にして、電極３ｂに電圧を印加し、電極３ａと反射膜７ａ，７ｂを例えば接地すると図７（ａ）の状態となり、電極３ａに電圧を印加し、電極３ｂと反射膜７ａ，７ｂを例えば接地すると図７（ｂ）の状態となる。図７から明らかなように第２の構造例の光偏向装置は反射膜７ａ，７ｃ，７ｂにより断面が３段の階段形状を有する３レベルの回折格子として作用する。適切な作用を得るため、図７に示すように溝深さｄは
λ／（３ｃｏｓθ）を最適値とするように形成され、さらに各段差ｔは溝深さｄの１／２が最適値となるようにしている。
【００４０】
例えば、θ＝０°、λ＝０．６５μｍの時、ｄ＝０．２２μｍである。
第２の構成例の光偏向装置は、梁（及び電極７ｃ）の幅δの値が周期Λのほぼ１／３でよいため、製造が容易になるという利点がある。逆に、幅δが製造技術により制約を受ける場合、図１の光偏向装置よりも周期Λを小さくすることが可能であり、これにより大きな１次回折光の回折角を得ることが可能である。例えば、図１の光偏向装置と同様に幅δ＝１μｍ、波長０．６５μｍとすると、１次光の回折角α（＝−β）＝１２．５°が得られる（４レベルでは９°）。なお、１次回折光１６、１７の回折効率はΛとλの比により多少変化するものの、６０〜７０％の高い効率が得られる。
【００４１】
以上のように本実施の形態１の第２の構成例の光偏向装置は、製造が容易でありながら、高い回折効率が得られる光偏向装置を実現できるものである。
【００４２】
なお、本実施の形態１の光偏向装置は、構成例として、主にシリコン化合物から構成される場合を示したが、構成材質を変えても動作が同じであれば光偏向装置として同様に機能することは言うまでもない。例えば、弾性体層としてアルミニウム等の金属を用い、犠牲層として例えばポリイミド等の有機物を用いて作製しても、全く同様に機能する光偏向装置を実現できる。
【００４３】
また、本実施の形態１では、特に偏向対象の光として波長０．６５μｍの可視光を例として説明したが、本光偏向装置は、様々な波長の光に対して設計が可能であり、何等使用波長に制約はない。
【００４４】
また、本実施の形態１では、第１及び第２の電極を平板上に形成し、第３の電極を梁上に形成したが、これらを逆にしてもよく、例えば、平板を第３の電極とするか平板上に第３の電極を形成し、第１及び第２の電極を梁の上面または下面に形成しても同様に機能する光偏向装置が得られることは言うまでもない。
【００４５】
また、本実施の形態１では、凸起９を平板１をＤ／Ｅすることにより得ているが、平板１上に例えば多結晶シリコンなどの薄膜を堆積し、これをパターニングして形成してもよい。
【００４６】
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図８は実施の形態２の光偏向装置の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図８において、２１は平板であり、例えばシリコン基板である。２２は絶縁層であり、例えば酸化シリコンと窒化シリコンの２層からなる。２３は突起であり、例えば多結晶シリコンからなる。２４は梁であり、例えばシリコンの含有比を大きくすることで、膜内に残留する引張応力を１５０ＭＰａにまで低減した、窒化シリコンからなる。２５は反射膜であり、例えばＡｕからなる。
【００４７】
図９（ａ）〜（ｆ）は実施の形態２の光偏向装置の製造工程を示す断面図であるが、同図において図８と同一物には同一番号を附記し説明を省略する。図８において２７は犠牲層である。本光偏向装置は、例えば垂直に入射された波長０．６５μｍの光を偏向できるように設計している。
【００４８】
以下、図９に従って、製造工程を説明する。
（ａ）シリコンからなる平板２１を、例えば酸素雰囲気中で１０５０℃で１時間酸化し、例えば０．１μｍ厚の酸化シリコンを形成した後、例えばＬＰＣＶＤにより例えば窒化シリコンを例えば０．１μｍ堆積して絶縁層２２を形成する。
【００４９】
（ｂ）例えばＬＰＣＶＤにより、例えば多結晶シリコンを、例えば０．１９μｍ成膜し、パターニングを行って突起２３を形成する。
【００５０】
（ｃ）例えばＬＰＣＶＤにより例えばＰＳＧを１μｍ堆積し、犠牲層２７を形成する。
【００５１】
（ｄ）例えば全面を等方的にＤ／Ｅすることで、表面を平坦化する。なお、表面の平坦性を更に改善するため、ＣＭＰ法を用いてもよい。平坦化後の犠牲層厚は光偏向素子の光学的挙動に影響を与えず任意であるが、本実施の形態では、低電圧駆動のためなるべく犠牲層厚を小さくしており、例えば最も深い部分で０．５μｍとしている。
【００５２】
（ｅ）例えばＬＰＣＶＤにより、例えばシリコンの含有比を大きくすることで膜内に残留する引張応力を１５０ＭＰａにまで低減した、窒化シリコンを、例えば０．５μｍ堆積し、例えばＤ／Ｅによりパターニングし、例えば幅３μｍの梁２４の形状を得る。
【００５３】
（ｆ）例えば弗酸により犠牲層２７をウェット・エッチングすることで、梁２４の下の犠牲層２７を除去する。この時、全ての犠牲層を除去せずに残すことで、実施の形態１の光偏向装置と同様にして、犠牲層２７を固定端とする両持ち梁形状を得て、梁２４を中空に浮かせている。尚、本実施の形態の光偏向装置は、梁の下に突起があるため、ウェット・エッチング後の乾燥工程で梁が液体の表面張力により吸着するという問題がほとんど発生しないという利点がある。最後に、例えばステンシルマスクを通して、全面に例えば蒸着により、例えばＡｕを０．１μｍ堆積することにより、反射膜２５を形成する。
【００５４】
以上の工程により光偏向装置が製造される。なお、梁２４の幅をｗ、梁２４同士の間隔をδ、突起２３の幅をｂ、光の波長をλ、光の入射角をθとすると、突起２３の高さの最適値ｈは、
ｈ＝λ（ｗ−ｂ）／｛２（ｗ＋δ）ｃｏｓθ）｝
で与えられ、本実施の形態では、例えばλ＝０．６５μｍ、ｗ＝３μｍ、δ＝０．５μｍ、ｂ＝１μｍ、θ＝０°としているため、ｈ＝０．１９μｍとなり、上述した製造工程（ｂ）の多結晶シリコンの膜厚をこの値としている。
【００５５】
図１０は本実施の形態２の光偏向装置の動作原理説明図である。なお、同図において図８、図９と同一物には同一番号を附記し、説明を省略する。図１０において、３０は入射光、３１は反射光、３２は１次回折光である。
【００５６】
本光偏向装置は、平板２１と反射膜２５の間に電圧を印加して駆動される。図１０（ａ）は電圧を印加していない状態を示しており、梁２４は中空に浮上している。この時、光偏向装置は単なるミラーとして作用するため、入射光３０は反射光３１となって入射方向へ反射される。
【００５７】
次に、例えば５Ｖの電圧を印加すると、電圧の印加により平板２１と反射膜２５の間には静電吸引力が作用し、梁２４は平板２１側へ引き寄せられる。
【００５８】
この時、梁２４と絶縁層２２の間には突起２３があるため、例えば図１０（ｂ）では梁２４の左側（ｘ方向マイナス側端部）は突起２３に接触する。梁はｙ方向に長い構造を有しているため、梁２４の固定端部付近がねじれ動作を起こし、梁２４の中央付近は図１０（ｂ）に示すように、傾斜した状態で吸引されることとなる。この時、光偏向装置はｘ方向に周期的な構造を有し、反射と回折現象を同時に用いたいわゆる反射形のブレーズ形回折格子として動作する。
【００５９】
この為、入射光３０は９０％以上の極めて高い回折効率で１次回折光３２となるが、本実施の形態の光偏向装置では、梁２４の間に例えば０．５μｍの間隔があるため、出射される光の効率は７５％であった。なお、１次回折光の出射角γはγ＝ｓｉｎ^−１（λ／Λ）で与えられるが、本実施の形態２では、例えばλ＝０．６５μｍ、Λ＝３μｍとしているため、γ＝１２．５°であった。
【００６０】
一方、本光偏向装置は、電圧オン時の０次回折光が、比較的広い波長領域で、波長の変動に対して極めて安定して低い値を維持する特性を有している。
【００６１】
図１１には例えば最適波長を１０μｍとして作製した光偏向装置の、波長５〜１４μｍの波長帯域での波長に対する０次回折効率（出射効率）の関係を示している。図１１は従来例の光偏向装置の波長に対する効率変化を示した図２８に対応させて示したものであるが、本実施の形態２の光偏向装置は、電圧オフ時には完全にミラーとして作用するため、波長に関係なくほぼ１００％の極めて高い効率で光が出射され、さらに、電圧オン時には光の波長が変動しても０次回折効率はそれほど変化せず、波長帯域５〜１４μｍの平均でわずか３％程度である。このため、変調効率は９０％以上の高い値が得られる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態２の光偏向装置は、ブレーズ形回折格子として作用するため、極めて高い光利用効率で光の出射方向を偏向することが可能な光偏向装置を実現でき、例えば出射光として１次回折光を用いた場合、高効率・高コントラストの光スイッチとして動作する。また、出射光として０次回折光を用いた場合、波長帯域が広い光に対しても高い変調効率を得ることが可能である。
【００６３】
（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１２は実施の形態３の光偏向装置の構成及び動作原理を示す図である。本実施の形態３の光偏向装置は、実施の形態２の光偏向装置と同様に作用するため、以下、動作原理と製造工程のみを説明する。
【００６４】
図１２において、図１０と同一物には同一番号を附記し、説明を省略する。図１２において３５は突起部である。本実施の形態３の光偏向装置は、実施の形態２の光偏向装置と同様にして駆動される。
【００６５】
図１２（ａ）は電圧オフの状態であり、実施の形態２の光偏向装置と同様に、この時は単なるミラーとして作用し、入射光３０は反射光３１となって入射方向へ反射される。
【００６６】
次に電圧を印加すると、電圧の印加により平板２１と反射膜２５の間には静電吸引力が作用し、梁２４は平板２１側へ引き寄せられる。梁２４の下面の一部に突起部３５を形成してあり、梁はｙ方向に長い構造を有しているため、梁２４の固定端部付近がねじれ動作を起こし、梁２４の中央付近は図１２（ｂ）に示すように、傾斜した状態で吸引されることとなる。この時光偏向装置は実施の形態２の光偏向装置と同様に、ｘ方向に周期的な構造を有し、反射と回折現象を同時に用いたいわゆる反射形のブレーズ形回折格子として動作し、入射光３０は９０％以上の極めて高い回折効率で１次回折光３２となる。
【００６７】
図１３は本実施の形態３の光偏向装置の製造工程を示した図であるが、図１３において、図９と同一物には同一番号を附記し、説明を省略する。
【００６８】
図１３において、３６は弾性体層である。本光偏向装置は、例えば垂直に入射された波長０．６５μｍの光を偏向できるように設計している。
【００６９】
以下、図１３に従って、製造工程を説明する。
（ａ）シリコンからなる平板２１を、例えば酸素雰囲気中で１０５０℃で１時間酸化し、例えば０．１μｍ厚の酸化シリコンを形成した後、例えばＬＰＣＶＤにより例えば窒化シリコンを例えば０．１μｍ堆積して絶縁層２２を形成した後、例えばＬＰＣＶＤにより例えばＰＳＧを堆積し、犠牲層２７を形成する。犠牲層２７の厚みは、任意であるが、本実施の形態３では１μｍとしている。
【００７０】
（ｂ）例えばＤ／Ｅにより犠牲層２７に溝を形成する。溝は図に示した座標系でｙ方向に長い構造を有していることが望ましいが、間隔をおいて形成した点群であってもよい。
【００７１】
（ｃ）例えばＬＰＣＶＤにより、例えばシリコンの含有比を大きくすることで膜内に残留する引張応力を１５０ＭＰａにまで低減した、窒化シリコンを例えば１μｍ堆積して弾性体層３６を形成する。
【００７２】
（ｄ）例えば全面を等方的にＤ／Ｅすることで、表面を平坦化する。なお、表面の平坦性を更に改善するため、ＣＭＰ法を用いてもよい。平坦化後の弾性体層３６の厚さは例えば０．５μｍとなるようにしている。
【００７３】
（ｅ）例えばＤ／Ｅによりパターニングし、例えば幅３μｍの梁２４の形状を得る。
【００７４】
（ｆ）例えば弗酸により犠牲層２７をウェット・エッチングすることで、梁２４の下の犠牲層２７を除去する。この時、全ての犠牲層を除去せずに残すことで、実施の形態１の光偏向装置と同様にして、犠牲層２７を固定端とする両持ち梁形状を得て、梁２４を中空に浮かせている。尚、本実施の形態３の光偏向装置は、実施の形態２の光偏向装置と同様に、梁の下面に突起部があるためウェット・エッチング後の乾燥工程で梁が液体の表面張力により吸着するという問題がほとんど発生しないという利点がある。最後に、例えばステンシルマスクを通して、全面に例えば蒸着により、例えばＡｕを０．１μｍ堆積することにより、反射膜２５を形成する。
【００７５】
以上の工程により光偏向装置が製造される。なお、梁２４の幅をｗ、梁２４同士の間隔をδ、突起部３５の幅をｂ、光の波長をλ、光の入射角をθとすると、突起３５の高さの最適値ｈは、
ｈ＝λ（ｗ−ｂ）／｛２（ｗ＋δ）ｃｏｓθ）｝で与えられ、本実施の形態では、例えばλ＝０．６５μｍ、ｗ＝３μｍ、δ＝０．５μｍ、ｂ＝１μｍ、θ＝０°としているため、ｈ＝０．１９μｍとなり、上述した製造工程（ｂ）の溝の深さをこの値としている。
【００７６】
本実施の形態３の光偏向装置は、梁の下面に突起部を形成することで、実施の形態２の光偏向装置と同様に作用する光偏向装置が得られ、ブレーズ形回折格子として作用し、極めて高い光利用効率で光の出射方向を偏向することが可能な光偏向装置を実現できる。
【００７７】
（実施の形態４）
以下、本発明の第４の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１４は実施の形態４の光偏向装置の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１４において、４１は平板であり、例えばシリコン基板である。４２は絶縁層であり、例えば酸化シリコンと窒化シリコンの２層からなる。４３は電極であり、例えばＰ−Ｓｉからなる。なお、電極３は図示しない配線を通じて、図示しない電圧印加手段に接続されており、それぞれ任意の電圧を印加できるようにしている。４４は絶縁層であり、例えば窒化シリコンからなる。４５は支持体であり、ＰＳＧからなる。４６は梁であり、例えばシリコンの含有比を大きくすることで、膜内に残留する引張応力を１５０ＭＰａにまで低減した、窒化シリコンからなる。４７は反射膜であり、例えばＡｕからなる。
【００７８】
図１５（ａ）〜（ｆ）は実施の形態４の光偏向装置の製造工程を示す断面図であるが、同図において図１４と同一物には同一番号を附記し説明を省略する。図１５において４９は犠牲層である。５０は弾性体層である。
【００７９】
以下、図１５に従って、製造工程を説明する。
（ａ）シリコンからなる平板４１を、例えば酸素雰囲気中で１０５０℃で１時間酸化し、例えば０．１μｍ厚の酸化シリコンを形成した後、ＬＰＣＶＤにより例えば窒化シリコンを例えば０．１μｍ堆積して絶縁層４２を形成する。
【００８０】
（ｂ）例えばＬＰＣＶＤにより全面に、例えばＰ−Ｓｉを、例えば０．３μｍ成膜し、次に、窒素雰囲気中で１０５０℃で３０分間アニールすることによりシート抵抗を例えば３０Ω・ｃｍまで低減する。その後、Ｐ−Ｓｉ層をパターニングし、電極４３を形成する。
【００８１】
（ｃ）例えばＬＰＣＶＤにより例えば窒化シリコンを堆積して絶縁層４４を形成後、例えばエッチバックにより表面を平坦化する。なお、さらに平坦な面を得るために、ＣＭＰ法を用いてもよい。その後、例えばＬＰＣＶＤにより例えばＰＳＧを堆積し、犠牲層４９を形成した後、例えばＬＰＣＶＤにより、例えばシリコンの含有比を大きくすることで膜内に残留する引張応力を１５０ＭＰａにまで低減した窒化シリコンを堆積し、弾性体層５０を形成する。
【００８２】
（ｄ）例えば、Ｄ／Ｅにより弾性体層５０をパターニングし、梁４６の形状を得る。
【００８３】
（ｅ）例えば、弗酸により梁４６間の間隙から犠牲層４９をウェット・エッチングすることで、梁４６の下の犠牲層４９を除去する。なお、この時、全ての犠牲層を除去せずに残すことで、実施の形態１の光偏向装置と同様にして、犠牲層４９を固定端とする両持ち梁形状を得て、梁４６を中空に浮かせている。最後に、例えばステンシルマスクを通して、全面に例えば蒸着により、例えばＡｕを０．１μｍ堆積することにより、反射膜４７を形成する。
【００８４】
以上の工程により光偏向装置が製造される。
図１６は本実施の形態４の光偏向装置の動作原理図である。なお、同図において図１４、図１５と同一物には同一番号を附記し、説明を省略する。図１６において、５５は入射光、５６は反射光、５７ａ，５７ｂは±１次回折光である。
【００８５】
本光偏向装置は、電極４３と反射膜４７の間に電圧を印加して駆動される。図１６（ａ）は電圧を印加していない状態を示しており、梁４６は中空に浮上している。この時、光偏向装置は単なるミラーとして作用するため、入射光５５は反射光５６となって入射方向へ反射される。
【００８６】
次に、１つおきの電極４３に例えば５Ｖの電圧を印加し、他の電極４３及び反射膜４７を同電位に設定、例えば接地すると、静電吸引力が作用し、電圧を印加した梁４６は平板４１側へ引き寄せられ、図１６（ｂ）の状態となる。この時、従来例の光偏向装置と同様にして０次回折光が消滅し、０次以外の高次回折光が発生し、例えば±１次回折光がそれぞれ４１％の効率で発生する。
【００８７】
この時、１次回折光の出射角θ_１はθ_１＝ｓｉｎ^−１（λ／Λ_１）で与えられるが、図１６（ｂ）の動作状態ではΛ_１＝２δとしており、本実施の形態４では、例えばλ＝０．６５μｍ、δ＝１μｍとしているため、θ_１＝１９°であった。
【００８８】
次に、図１６（ｃ）では、梁の吸引動作原理は図１６（ｂ）と同様であるが、２本の梁４６を１つの梁要素として駆動させてステップ形状を得ている。
【００８９】
この時、回折格子の周期Λ_２＝４δであるので、本実施の形態４では、例えばλ＝０．６５μｍ、δ＝１μｍとしているため、θ_２＝９°であった。
【００９０】
同様にして、１つの要素と見なす梁の数を３本，４本，５本…と増やして行くことで、±１次回折光の回折角度は、例えば、６゜、５゜、４゜…と変化させることが可能である。
【００９１】
以上のように本実施の形態４の光偏向装置は、１要素と見なす梁の本数を変化させ、回折格子の周期を線幅δの偶数倍とすることにより、０次以外の回折光の回折角を変化させることが可能である。
【００９２】
（実施の形態５）
以下、本発明の第５の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１７は実施の形態５の光学機器である光ピックアップ装置の基本的な構成を示す図である。本光学機器は、例えば異なる仕様の光ディスク及び／または光磁気ディスクを読み書きできる光ピックアップ装置である。図１７において、６１は例えば実施の形態１で述べた光偏向装置である。
【００９３】
以下、例として光ディスク用の光ピックアップ装置として用いた場合について説明する。６２は半導体レーザであり、例えば波長０．６５μｍの赤色レーザを発振する。６３は受光素子であり、例えば４分割フォトダイオードである。６４は部分反射体であり、例えばハーフミラーである。６５ａ，６５ｂ，６８はレンズであり、６５ａは例えばＣＤ（コンパクト・ディスク）用の対物レンズでＮＡ（開口率）０．４、６５ｂは例えばＤＶＤ（デジタル・ビデオ・ディスク）用の対物レンズでＮＡ０．６である。レンズ６８は例えばコリメータレンズであり、ＤＶＤ用の対物レンズ６５ｂに入射する光を平行光とする。
【００９４】
ＣＤの対物レンズのような比較的ＮＡの小さいレンズではレンズに入射する光が平行光でなくても集光することは比較的容易であるが、ＤＶＤ用の対物レンズのようなＮＡの大きなレンズでは、その設計・作製はきわめて難しくなるため、本実施の形態に示すように、一旦コリメータレンズで平行光になおした後に集光する方式をとるのが一般的である。６６は光情報盤であり、例えば光ディスクである。６７ａ，６７ｂは出射光であり、光偏向装置の動作により６７ａ，６７ｂのいずれかの方向に光が出射され、出射された光はそれぞれレンズ６５ａ，レンズ６８に入射するようにしている。６９は円筒レンズであり、ビーム形状を変化させることにより受光素子６３によりフォーカシングのための情報も検出できるようにしている。
【００９５】
以下、本実施の形態の光ピックアップ装置の動作を説明する。
半導体レーザ６２から出射されたレーザ光は光偏向装置６１へと入射する。光偏向装置６１は実施の形態１で述べたように動作し、出射光６７ａまたは出射光６７ｂを８１％の高い効率で出射する。しかも、本光偏向装置は例えばシリコン基板上に作製され、素子の平坦性が高いために出射光には収差が発生しない。レンズ６５ａ，６８はそれぞれ出射光６７ａ，６７ｂが入射する位置に配置されている。例えば出射光６７ａの方向に光を出射したとき、出射光６７ａはレンズ６５ａにより集光され、例えばＣＤである光情報盤６６上に焦点を結ぶ。光情報盤６６により反射された反射光の一部は、ほぼ同じ経路を戻り部分反射体６４により一部が反射され、円筒レンズ６９を透過し、受光素子６３へ入射する。受光素子６３からの出力信号を検出することにより光情報盤上の、例えば凹凸情報を得ることができ、さらにフォーカシングやトラッキングのための情報が得られる。
【００９６】
次に、異なる仕様の光情報盤、例えばＤＶＤの再生を行う場合には、光偏向装置６１により出射方向を６７ｂの方向に切り換え、レンズ６８により平行光とした後、光情報盤の仕様に合わせたレンズ６５ｂに光を入射して、同様に情報の再生を行う。
【００９７】
図１８には、本実施の形態の光ピックアップ装置の別の構成例を２つ示している。なお、図１８において図１７と同一物には同一番号を附記し、説明を省略する。図１８において、９１、９４は光路折り曲げ素子であり、例えばプリズムである。９２ａ，９２ｂ，９３はレンズであり、レンズ９２ａは、例えばＣＤ用の対物レンズ、レンズ９２ｂは、例えばＤＶＤ用の対物レンズ、９３は、例えばコリメータレンズである。図１８は、図１７の座標系で−ｘ方向に向かって見た場合に対応した構成を示しているが、受光素子６３や半導体レーザ６２は省略している。
【００９８】
図１７の構成例では、レンズ６５ａ，６８に入射する光は、レンズによって集光される光の光軸に対して傾いている（一般にオフ・アキシス・レンズと呼ばれる）ため、その設計・作製や駆動時の制御が難しくなるという問題がある。
【００９９】
図１８（ａ）の光ピックアップ装置では、部分反射体６４に光路折り曲げ素子９１を張り付けるか、または一体に成形し、光の屈折により出射光６７ａ，６７ｂを共に光情報盤６６に対し、垂直に出射されるようにしている。このことによりレンズ９２ａ、９３には垂直に光が入射するため、レンズ９２ａ，９３はともに光軸に対して対称な形状となり、例えば、従来のＣＤの対物レンズ、ＤＶＤ対物レンズ、コリメータレンズを用いることが可能となる。
【０１００】
さらに、図１８（ｂ）の光ピックアップ装置のように、光偏向装置６１にレーザ光を入射する方向を−ｙ方向側へ傾けて、出射光６７ｂが部分反射体６４に垂直に入射するようにすることで、出射光６７ａの光路を折り曲げるだけでよくなり、ほぼ半分のサイズの光路折り曲げ素子９４だけで光情報盤６６に垂直な２つの出射光が得られるようにすることも可能である。
【０１０１】
なお、光路折り曲げ素子は、本実施の形態の用にプリズムを用いなくとも、例えば回折光学素子を部分反射体上に形成することによっても達成される。
【０１０２】
以上、本実施の形態の光学情報装置である光ピックアップ装置は、光偏向装置により収差を発生させずに光路を切り換え、レンズをその光路上に配置することで、簡単な構造でありながら高い光利用効率が得られ、複数の仕様の光情報盤を記録・再生することが可能である。
【０１０３】
なお、光偏向装置を設ける位置は、本実施の形態の半導体レーザと部分反射体の光路上という制限を受けるものではなく、部分反射体とレンズの間の光路上に配置してもよい。
【０１０４】
また、単にレンズを切り換えるだけでなく、出射光の光路上にそれぞれ別の光学系を形成しても同様の動作が得られる。
【０１０５】
また、本実施の形態では、特に光ディスク用の光ピックアップ装置として説明を行ったが、偏光板等を適切に配置することにより、光磁気ディスクにも対応可能であることは容易に類推される。
【０１０６】
また、本実施の形態の光ピックアップ装置では、円筒レンズと４分割フォトダイオードによりフォーカシング制御やトラッキング制御の信号を取得する方式としているが、これらは本光ピックアップ装置に何等制限を与えるものではなく、別の方法によりフォーカス・トラック制御を行ってもよい。
【０１０７】
（実施の形態６）
以下、本発明の第６の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１９は実施の形態６の光学機器である画像表示装置の基本的な構成を示す図である。図１９において７１は実施の形態１または実施の形態２または実施の形態４に示された光偏向装置を２次元的に配置した光偏向装置アレイであり、本実施の形態６では、いわゆる空間光変調素子として作用する。本実施の形態６の光偏向装置アレイは、例えば実施の形態２に示した光偏向装置をアレイ化したものである。７２は光源である。７３はレンズである。７４は光源７２から出射された入射光であり、７５ａ，７５ｂは光偏向装置アレイ７１により偏向させられた出射光であって、光偏向装置アレイの各光偏向装置の動作状況により７５ａ，７５ｂのいずれかの光路に切り換えられる。本実施の形態６では、一例として、出射光７５ａがレンズ７３に入射して図示しない投影面に投射され、出射光７５ｂはレンズ７３に入射しない方向とすることで画像が投射されるようにしている。
【０１０８】
実施の形態２に示した光偏向装置は、実施の形態２で述べたように、波長が変動しても電圧オン時の０次回折光が極めて小さいまま抑制される特性を有しており、波長幅が比較的広い光を偏向させる場合でも高いコントラストが得られる。図２０は青色光（波長０．３５〜０．４５μｍ）、緑色光（波長０．４５〜０．５５μｍ）、赤色光（波長０．５５〜０．６５μｍ）の各帯域の光において、溝深さと各帯域での平均０次回折効率の関係を示したものである。いずれの波長帯域でも、およそ１／２波長の溝深さで０次回折効率の極小点があり、その後溝深さが大きくなると一旦数％程度に上昇するが、さらに大きくなると安定して低い値が得られる特性を有することが分かる。このような特性から、例えば、溝深さが０．８μｍ以上の光偏向装置を作製することにより、ＲＧＢのいずれの波長に対しても、９９％以上の高変調率が得られ、１００以上の高コントラストの投射型ディスプレイを実現できる。すなわち、光の波長によらず、同じ光偏向装置を用いることができる。さらに投射光は光偏向装置に電圧オフ時にミラーとして作用するときの反射光であるため、色ずれがなく、大画面に投射しても鮮やかな画面を得ることができる。
【０１０９】
図２１には、カラー画像表示装置の構成を示している。図２１において、８１は光源であり、例えばキセノンランプである。８２はレンズである。８３ａ〜８３ｃは分離ミラーであり、例えば８３ａは赤色光のみを反射しその他の光を透過し、８３ｂは青色光のみを反射しその他の光を透過し、８３ｃは緑色光のみを反射しその他の光を透過する特性を有する。８４ａ〜８４ｃは光偏向装置アレイである。８５ａ，８５ｂはミラーである。８６は光合成体であり、例えばカップリングプリズムである。８７はレンズである。
【０１１０】
光源８１から出射された光は、レンズ８２により平行光にコリメートされ、分離ミラー８３ａ，８３ｂによりＲＧＢの光の３原色に分離される。それぞれ分離された光を光偏向装置アレイ８４ａ，８４ｂ，８４ｃにより変調する。図２１では、例えば光偏向装置アレイ８４ａで青色の画像を、光偏向装置アレイ８４ｂで緑色の画像を、光偏向装置アレイ８４ｃで赤色の画像を得ている。なお、図には投影される光の経路のみを示している。次に、例えば分離ミラー８３ｃを用いて青色光の画像と緑色の画像を合成し、さらに光合成体８６により赤色画像を合成し、最後にレンズ８７により図示しない投影面に合成光を投射することにより、カラー画像が得られる。
【０１１１】
図２２は別の構成のカラー画像表示装置を示している。なお、図２２において図１９と同一物には同一番号を附記し説明を省略する。図２２において７７はフィルタであり、例えば、それぞれ赤色光、緑色光、青色光のみを透過する３つの帯域波長透過体からなるフィルタである。７８は透過光であり、フィルタ７７により選択された波長帯域の透過光である。７９は回転駆動装置であり、フィルタ７７を回転させることにより、透過光７８の波長を切り換える。
【０１１２】
本実施の形態の画像表示装置に用いられる、例えば実施の形態２に示した光偏向装置は、前述した通り、例えば溝深さを０．８μｍ以上とすることにより、ＲＧＢいずれの波長帯域においても同様に出射率の変調を行うことが可能である。このため、図２２に示すように光偏向装置に光の３原色を順次、例えば１０ｍｓｅｃ毎に切り換えて入射し、各色に相当する画像を投射することによりカラー画像を得ることが可能である。この構成例では、光学素子数が少なく、安価なカラー画像表示装置を実現できる。
【０１１３】
なお、本実施の形態では、光偏向装置として、特に実施の形態２の光偏向装置を用いる場合を説明したが、実施の形態１や実施の形態４の光偏向装置を用いても良いことは言うまでもない。ただし、出射光として１次回折光を用いる場合には、波長により出射方向が異なるため、この色ずれを補正する光学系が必要となる。このことは実施の形態２の光偏向装置の１次回折光を出射光とした場合も同様である。
【０１１４】
以上、本実施の形態６の画像表示装置は、空間光変調素子として特に実施の形態２の光偏向装置を用い反射光を出射光とすることにより、光利用効率が高く、また波長幅が比較的大きくても電圧オン時の０次回折光強度を小さく抑制できるために黒レベルを出せ、コントラストが高い画像表示装置を実現することが可能である。
【０１１５】
（実施の形態７）
以下、本発明の第７の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図２３は実施の形態７の光学機器である印字装置の基本的な構成を示す図である。図２３において２０１は、実施の形態１または実施の形態２または実施の形態４に示した光偏向装置を１次元的に配置した光偏向装置アレイである。２０２はレーザ装置であり、例えば半導体レーザである。２０３はビーム拡大器であり、本実施の形態７では例えば円筒レンズを用い、１平面内の出射角度を大きくしている。２０４は感光体である。２０５ａ，２０５ｂは出射光である。２０６はレンズである。本実施の形態では例えば出射光２０５ａがレンズ２０６へ入射して感光体２０４に結像し、出射光２０５ｂはレンズ２０６及び感光体２０４に入射しない方向としている。
【０１１６】
レーザ装置２０２から出射された光はビーム拡大器２０３により１平面内で広角化され、光偏向装置アレイ２０１へ入射する。この時、光偏向装置アレイの各光偏向装置の動作状態により、出射光は２０５ａまたは２０５ｂのいずれかの方向へ偏向され、このうち出射光２０５ａはレンズ２０６へ入射し、感光体２０４上で結像する。感光体２０４は、例えば図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を入射することによりその部分に線画像情報として静電潜像を形成する。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部にトナー像を形成し、これを例えば図示しない用紙に転写・定着させることで、印字を行うことが可能である。
【０１１７】
本実施の形態の印字装置は、１体のレーザ装置から出射されたレーザ光をビーム拡大器に入射し、その出射光を光偏向装置を用いて偏向させることにより、感光体への光の入射を制御するため、簡単な構成で静電潜像を得ることができる。レーザ装置は１つでよく、さらに大きな機械動作をする部分が無いため、低価格で、低消費電力・長寿命の印字装置を提供することが可能である。
【０１１８】
（実施の形態８）
以下、本発明の第８の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図２４は実施の形態８の光学機器である焦電型の赤外線センサの基本的な構成を示す図である。図２４において２１１は、実施の形態１または実施の形態２または実施の形態４に示した光偏向装置である。２１２は赤外光である。２１３はレンズであり、例えばポリエンチレンからなる。２１４ａ，２１４ｂは出射光であり、光偏向装置２１１の動作状態に応じて２１４ａか２１４ｂの方向に偏向される。２１５は焦電体である。
【０１１９】
赤外光２１２はレンズ２１３により集光され、光偏向装置２１１に入射する。光偏向装置２１１により出射光は偏向され、例えば出射光２１４ａが焦電体２１５に入射し、その他の状態では焦電体２１５に出射光が入射しないような配置とすることにより、光偏向装置をチョッパとして動作させることが可能となる。
【０１２０】
実際には変調対象の赤外光は広い波長幅を有しているが、光偏向装置２１１として例えば実施の形態２に示す光偏向装置を用いた場合、反射光を出射光とすることにより、５〜１４μｍの広い波長帯域でも波長に関係なく高い出射効率が得られる。さらに、実施の形態２で述べたように、電圧オン時の入射量を小さくすることが可能であるため、例えばレンズに入射する赤外光強度が大きく変化するような場合でも、０レベルの変動はきわめて小さいため、赤外光の絶対的な強度を検出でき、高精度測定が可能となる。
【０１２１】
以上、本実施の形態８の赤外線センサは、特に実施の形態２の光偏向装置をチョッパとして用い、さらに光偏向装置の反射光が焦電体に入射し、高次回折光が入射しない配置とすることにより、実施の形態２の光偏向装置が電圧オフ時には高い出射効率を有し、電圧オン時には０次回折光が広い波長帯域でも小さい値に留まるという特性から、高感度でありながら、外乱の影響を受けにくい高精度の超小型焦電形赤外線センサを実現することが可能である。
【０１２２】
なお、レンズ２１３は、例えばシリコンからなる回折形レンズであっても良い。
【０１２３】
（実施の形態９）
以下、本発明の第９の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図２５は実施の形態９の光学機器である光路切換装置の基本的な構成を示す図である。光路切換装置は光情報通信や光コンピューティングなどにおいて光の切り換えに用いられる。図２５において２２１は実施の形態４に示した光偏向装置である。２２３ａ〜２２３ｅは光伝搬体であり、例えば光ファイバである。２２５は入射光である。２２６ａ，２２６ｂ及び２２７ａ，２２７ｂは出射光であり、実施の形態４で説明したように、光偏向装置２２１の動作状況により±１次回折光の回折角を変化させることにより出射方向を変化させることが可能である。なお、図２５には得られる出射方向のうち、一部のみを示している。
【０１２４】
以下、例として、出射光２２７ａ，２２７ｂは図１６（ｂ）の状態での±１次回折光を、出射光２２６ａ，２２６ｂは図１６（ｃ）の状態での±１次回折光を表すものとして説明する。
【０１２５】
本実施の形態では、例えば出射光２２６ａ，２２６ｂの出射方向に光伝搬体２２３ｂ，２２３ｃ、出射光２２７ａ，２２７ｂの出射方向に光伝搬体２２３ｄ，２２３ｅを配置している。
【０１２６】
まず、図１６（ａ）の状態では、入射光２２５は入射側へ反射され、２２３ａ以外の光伝搬体には入射しない。
【０１２７】
次に、図１６（ｂ）の状態では、入射光２２５のうち、それぞれ４１％が光伝搬体２２３ｄ，ｅに入射する。
【０１２８】
さらに、図１６（ｃ）の状態では、図１６（ｂ）と同様にして、それぞれ４１％が光伝搬体２２３ｂ，ｃに入射する。
【０１２９】
以上の動作は、回折角度の分離が可能な限り、同様にして実行が可能である。
以上、本実施の形態の光路切換装置は、実施の形態４の光偏向装置に光を入射し、光偏向装置から出射される±１次回折光の方向にそれぞれ光伝搬体を配置することにより、光の伝搬する光伝搬体を選択できるものであり、複数の送信先へ夫々光信号を伝送することが可能な超小型複数方向光路切換器を実現できる。
【０１３０】
なお、本実施の形態９では、光偏向装置として実施の形態４の光偏向装置を用いて説明したが、実施の形態１または実施の形態２の光偏向装置を用いても、２方向の選択が可能な光路切換装置が作製可能であることは言うまでもない。この場合、実施の形態１及び実施の形態２の光偏向装置は高い回折効率を有し、不要回折光が混入しにくい特徴があるため、光損失が少なく、高Ｓ／Ｎの光路切換装置を得ることが可能である。
【０１３１】
なお、光の結合効率を向上するために、光伝搬体と光偏向装置の間にレンズを配置しても良い。
【０１３２】
【発明の効果】
以上のように、第１の発明の光偏向装置は、平板に凹凸を形成し、その凸部に並列して中空に支持された梁を形成し、いずれか１方の梁を平板側に吸引したときに断面が４段の階段形状となるようにすることにより、４レベルの回折格子として作用し、８１％の高い回折効率で１次回折光が出射されるため、極めて回折効率が高く、大きな光偏向を得られる光偏向装置を実現できるものである。また第２例の光偏向装置では、駆動時に断面が３段の階段形状となり、３レベルの回折格子として作用するため、作製が容易でありながら、１次回折光の回折効率は６０〜７０％の高い値が得られる。
【０１３３】
また、第２の発明の光偏向装置は、反射ミラーとしての作用とブレーズ形回折格子としての作用を切り換え可能であるため、最大９０％以上の極めて高い回折効率で光の出射方向を偏向することが可能である。また、出射光として、反射光及び０次回折光を用いると、極めて変調率・コントラストの高い光路切換装置として動作する。
【０１３４】
また、第３の発明の光偏向装置は、１要素と見なす梁の本数を変化させ、回折格子の周期を線幅δの偶数倍とすることにより、０次以外の回折光の回折角を変化させることが可能であり、多方向への光の偏向が可能な光偏向装置を実現できるものである。
【０１３５】
また、第４の発明の光ピックアップ装置は、特に第１の発明の光偏向装置により収差を発生させずに光路を切り換え、レンズをその光路上に配置することで、簡単な構成で複数の仕様の光情報盤を記録・再生可能な光ピックアップ装置を提供できるものである。
【０１３６】
また、第５の発明の画像表示装置は、空間光変調素子として、特に第２の発明の光偏向装置を用い反射光を出射光とすることにより、光利用効率が高く、また波長幅が比較的大きくても電圧オン時の０次回折光強度を小さく抑制できるために黒レベルを出せ、コントラストが高い画像表示装置を実現することが可能である。
【０１３７】
また、第６の発明の印字装置は、１体のレーザ装置から出射されたレーザ光をビーム拡大器に入射し、その出射光を光偏向装置を用いて偏向させることによって、感光体への光の入射を制御するため、簡単な構成で静電潜像を得ることができる。レーザ装置は１つでよく、さらに大きな機械動作をする部分が無いため、低価格で、低消費電力・長寿命の印字装置を提供することが可能である。
【０１３８】
また、第７の発明の赤外線センサは、光偏向装置により焦電体に入射する光の強度を変化させることにより、光のチョッピングを行うことができる。特に、第２の発明の光偏向装置特性を用いた場合、電圧オン時の０次回折光が広い波長帯域でも小さい値に留まる上、電圧オフ時は波長に依存せずミラーとして動作することから、高感度で、且つ外乱の影響を受けにくい高精度の超小型焦電形赤外線センサを実現することが可能である。
【０１３９】
また、第８の発明の光路切換装置は、特に第３の発明の光偏向装置を用いた場合、光偏向装置から出射される±１次回折光の方向にそれぞれ光伝搬体を配置することにより、光の伝搬する光伝搬体を選択できるものであり、複数の送信先へ夫々光信号を伝送することが可能な超小型光路切換器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態における光偏向装置の平面図
（ｂ）同Ａ−Ａ’断面図
（ｃ）同Ｂ−Ｂ’断面図
【図２】同実施の形態の光偏向装置の電極配置例を示す図
【図３】（ａ）〜（ｆ）同実施の形態の光偏向装置の製造工程図
【図４】（ａ），（ｂ）同実施の形態の光偏向装置の動作原理図
【図５】同実施の形態の光偏向装置における、線幅δと１次回折光の回折角αの関係図
【図６】（ａ）同実施の形態の光偏向装置の第２の構造例の平面図
（ｂ）同Ａ−Ａ’断面図
【図７】（ａ），（ｂ）同第２の構造例の光偏向装置の動作原理図
【図８】（ａ）本発明の第２の実施の形態における光偏向装置の平面図
（ｂ）同断面図
【図９】（ａ）〜（ｆ）同実施の形態の光偏向装置の製造工程図
【図１０】（ａ），（ｂ）同実施の形態の光偏向装置の動作原理図
【図１１】同実施の形態の光偏向装置の赤外領域の光に対する出射効率の変化を示す図
【図１２】（ａ）本発明の第３の実施の形態における光偏向装置の構成図
（ｂ）同動作原理図
【図１３】（ａ）〜（ｆ）同実施の形態の光偏向装置の製造工程図
【図１４】（ａ）本発明の第４の実施の形態における光偏向装置の平面図
（ｂ）同断面図
【図１５】（ａ）〜（ｆ）同実施の形態の光偏向装置の製造工程図
【図１６】（ａ）〜（ｃ）同実施の形態の光偏向装置の動作原理図
【図１７】本発明の第５の実施の形態における光学機器である光ピックアップ装置の基本的な構成を示す図
【図１８】（ａ）同実施の形態の光ピックアップ装置の第２の構成例を示す図
（ｂ）同第３の構成例を示す図
【図１９】本発明の第６の実施の形態における光学機器である画像表示装置の基本的な構成を示す図
【図２０】（ａ）〜（ｃ）同実施の形態の光学機器の光偏向装置の、３原色の光に対する溝深さと０次回折効率の関係を示す図
【図２１】同実施の形態の投射型カラーディスプレイ装置の構成図
【図２２】同実施の形態の投射型カラーディスプレイ装置の第２の例の構成図
【図２３】本発明の第７の実施の形態における光学機器である印字装置の構成図
【図２４】本発明の第８の実施の形態における光学機器である焦電形赤外線センサの構成図
【図２５】本発明の第９の実施の形態における光学機器である光路切換装置の構成図
【図２６】従来の技術の光偏向装置の構成を示す一部断面斜視図
【図２７】（ａ），（ｂ）同従来の技術の光偏向装置の動作原理図
【図２８】同従来の技術の光偏向装置の赤外領域の光に対する出射効率の変化を示す図
【符号の説明】
１ 平板
２ 絶縁層
３ａ，３ｂ 電極（第１及び第２の電極）
４ 絶縁層
５ 支持体
６ 梁
７ａ，７ｂ 反射膜（第３の電極）
７ｃ，７ｄ 反射膜
８ 反射膜
９ 凸起

Claims (38)

1. 平板と、該平板上に形成された支持体と、該支持体に両端を支持され、周期的に配置された複数の梁と、１本おきの該梁の間に形成された凸起と、該平板と該複数の梁のいずれか一方に形成され、交互に周期的に配置された第１及び第２の電極と、他方に形成された第３の電極とからなり、
   該第１電極及び／または該第２電極と、該第３電極との間に印加する電圧を調整することにより該梁と該平板との距離を変化させ、出射する光の方向を変化させることを特徴とする光偏向装置。
2. 凸起が梁の長手方向に細長い形状を有している請求項１記載の光偏向装置。
3. 第１及び第２の電極が、櫛形形状を有することを特徴とする請求項１記載の光偏向装置。
4. 第１及び第２電極と、第３電極との間に絶縁層を形成したことを特徴とする請求項１記載の光偏向装置。
5. 梁の幅と該梁の間隔が等しく、第１及び第２の電極のいずれか一方と第３の電極の間に電圧を印加した時に、断面が４段の階段形状である４レベルの回折光学素子として機能することを特徴とする請求項１記載の光偏向装置。
6. 出射光として、前記４段の階段形状により回折された１次回折光を用いることを特徴とする請求項５記載の光偏向装置。
7. 第１及び第２の電極のいずれか一方と第３の電極との間に電圧を印加し、電圧を印加する電極を切り換えることにより、出射光の方向を変化させることを特徴とする請求項５記載の光偏向装置。
8. 入射光の波長をλ、前記平板表面を含む平面の法線からの入射角をθとすると、前記４段の階段形状の深さの最適値が、（３λ）／（８cosθ）で計算される値であることを特徴とする請求項５記載の光偏向装置。
9. 入射光の波長をλ、前記平板表面を含む平面の法線からの入射角をθとすると、前記４段の階段形状の各段差の最適値が、λ／（８cosθ）で計算される値であることを特徴とする請求項５記載の光偏向装置。
10. 梁の凸起に隣接しない方の側面では該梁が互いに隣接して形成され、第１及び第２の電極のいずれか一方と第３の電極との間に電圧を印加した時に、断面が３段の階段形状である３レベルの回折光学素子として機能することを特徴とする請求項１記載
    の光偏向装置。
11. 出射光として、３段の階段形状により回折された１次回折光を用いることを特徴とする請求項１０記載の光偏向装置。
12. 第１及び第２の電極のいずれか一方と第３の電極との間に電圧を印加し、電圧を印加する電極を切り換えることにより、出射する光の方向を変化させることを特徴とする請求項１０記載の光偏向装置。
13. 入射光の波長をλ、前記平板表面を含む平面の法線からの入射角をθとすると、３段の階段形状の深さの最適値が、λ／（３cosθ）で計算される値であることを特徴とする請求項１０記載の光偏向装置。
14. 入射光の波長をλ、平板表面を含む平面の法線からの入射角をθとすると、３段の階段形状の各段差の最適値が、λ／（６cosθ）で計算される値であることを特徴とする請求項１０に記載の光偏向装置。
15. 第１電極として機能する部分を有する平板と、該平板上に形成された支持体と、該支持体に両端を支持され、第２電極として機能する部分を有する複数本の梁と、該平板上面及び／または該梁下面に形成された突起とを具備し、該第１電極と該第２電極を同電位とすることで前記梁が１つの平面内にある第１の状態と、該第１電極と該第２電極との間に印加する電圧を調整することにより該梁が該平板側へ変位する際、該梁の少なくとも一部が前記突起により傾斜する第２の状態とを切り換えることで出射する光の方向を変化させることを特徴とする光偏向装置。
16. 第２の状態では、梁が平板に平行な面内で、且つ梁の長手方向に垂直な方向に周期的構造を有することを特徴とする請求項１５記載の光偏向装置。
17. 第２の状態では、反射形のブレーズ形回折格子として作用することを特徴とする請求項１５記載の光偏向装置。
18. 梁の幅をｗ、前記梁の間隔をδ、突起の幅をｂ、光の波長を
    λ、光の入射角をθとすると、前記突起の高さの最適値が
    λ（ｗ−ｂ）／｛２（ｗ＋δ）cosθ｝で計算される値であることを特徴とする請求項１５記載の光偏向装置。
19. 第１電極と第２電極との間に絶縁層を具備した請求項１５記載の光偏向装置。
20. 平板と、該平板上に形成された複数の電極と、該平板上に形成された支持体と、該支持体に両端を支持され、電極として機能する部分を有する密に並列した複数本の梁とを具備し、
    該平板上に形成された複数の各電極と、該複数本の梁が有する電極として機能する各部分とが、前記平板の法線方向において重なり合い、
    該複数の電極に夫々適当な電圧を印加し、該複数の梁と該平板との距離を変化させることにより、該平板に平行な平面内で且つ該梁の長手方向に垂直な方向に、周期的な凹凸を形成することを特徴とする光偏向装置。
21. 凹凸の周期を変化させることにより、光の出射方向を変化させることを特徴とする請求項２０記載の光偏向装置。
22. 光源と、該光源から出射された光を偏向する請求項１または請求項１５または請求項２０のいずれかに記載の光偏向装置と、該光偏向装置から出射された光を光ディスク上に集光する複数のレンズと、該光ディスクにより反射された光の一部を受光する受光素子とからなる光ピックアップ装置。
23. 光偏向装置と複数のレンズの間に、入射した光の一部を反射し一部を透過する部分反射体を設けたことを特徴とする請求項２２記載の光ピックアップ装置。
24. 光源と光偏向装置との間に、入射した光の一部を反射し一部を透過する部分反射体を設けたことを特徴とする請求項２２記載の光ピックアップ装置。
25. 光偏向装置とレンズの間の光路上に、さらに光路折り曲げ素子を設けた請求項２２記載の光ピックアップ装置。
26. 光路折り曲げ素子は、互いに平行でない２つの平面を有している請求項２５記載の光ピックアップ装置。
27. 光路折り曲げ素子は、回折光学素子であることを特徴とする請求項２５記載の光ピックアップ装置。
28. 光源と、該光源から出射された光を偏向する請求項１または請求項１５または請求項２０のいずれかに記載の光偏向装置を２次元的に配置した光偏向装置アレイと、該光偏向装置アレイにより偏向された光の少なくとも一部を投影するレンズとからなる画像表示装置。
29. ３体の光偏向装置アレイに３原色の光が夫々入射し、それぞれの出射光を合成することによりカラー画像を得ることを特徴とした請求項２８記載の画像表示装置。
30. 光偏向装置の溝深さが０．８μｍ以上である請求項２８記載の画像表示装置。
31. １体の光偏向装置アレイに、光の３原色を順次照射し、これを投射することによりカラー画像を得る請求項２８記載の画像表示装置。
32. 光源と、該光源から出射された光を偏向する請求項１または請求項１５または請求項２０のいずれかに記載の光偏向装置を少なくとも１列以上並列に配置した光偏向装置アレイと、該光偏向装置アレイにより偏向された光の少なくとも一部が入射する感光体とからなる印字装置。
33. 光偏向装置アレイと感光体の間の光路上に、さらにレンズを設けた請求項３２記載の印字装置。
34. さらに、該感光体を帯電せしめる帯電器と、該感光体の帯電部に付着する色素と、該色素を転写する転写装置とを備える請求項３２記載の印字装置。
35. 焦電体と、赤外光を受け、該赤外光の少なくとも一部を該焦電体に対して出射する請求項１または請求項１５または請求項２０のいずれかに記載の光偏向装置を備えたことを特徴とする赤外線センサ。
36. さらに赤外光を集光するレンズを備え、該レンズにより集光された該赤外光が前記光偏向装置に入射することを特徴とする請求項３５記載の赤外線センサ。
37. さらに赤外光を集光するレンズを備え、該レンズは、前記光偏向装置から出射される該赤外光の少なくとも一部を該焦電体に集光することを特徴とする請求項３５記載の赤外線センサ。
38. 光伝搬体と、該光伝搬体内を伝搬し出射される光を偏向する請求項１または請求項１５または請求項２０のいずれかに記載の光偏向装置と、該光偏向装置により偏向され得る１つ以上の光路上に光伝搬体を設けたことを特徴とする光路切換装置。

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