JP3658965B2 - Optical switching element and image display device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光演算、光記憶装置、光プリンター、画像表示装置等に使用される光スイッチング素子(ライトバルブ)に関するものであり、特に画像表示装置に適した光スイッチング素子および画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の光スイッチング素子は液晶を用いたものが知られている。図12にその概略構成を示すように、従来の光スイッチング素子900は、偏光板901および908、ガラス板902および903、透明電極904および905、液晶906および907より構成され、透明電極間に電圧を印加することにより液晶分子の方向を変えて偏光面を回転させ光スイッチングを行うものであった。そして、従来の画像表示装置は、このような光スイッチング素子(液晶セル)を二次元に並べた液晶パネルを用い、階調表現は印加電圧を調整することにより液晶分子の向く方向をコントロールするものであった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶は高速応答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか動作しない。このため高速応答を要求される、光通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記憶装置、光プリンター等へ液晶を用いた光スイッチング素子を適用することは難しかった。また、液晶を用いた光スイッチング素子では、偏光板により光の利用効率が低下してしまうという問題もあった。
【0004】
また、画像表示装置においては、近年、いっそう高品位な画像品質が要求されており、液晶を用いた光スイッチング素子よりさらに階調表現が正確な表示を行える光スイッチング素子が求められている。
【0005】
そこで、本発明は、光のロスが少なく、高速応答が可能な光スイッチング素子を提供することを目的としている。さらに、均質なコントラストが得られ、画質の良い表示が得られる光スイッチング素子を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、光を全反射して伝達可能な導光部に対し光スイッチング部の透光性の抽出面を接触させてエバネセント光を抽出し、光スイッチング部の1波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、光を高速でオンオフ制御可能な光スイッチング素子を用い、さらに、光スイッチング部を反射型にして、導光部、光スイッチング部およびこの光スイッチング部を駆動する駆動部を光の照射方向からこの順番に配置して階層構造化できるようにしている。そして、出射される光量が大きく、その出射される光のロスは少なく、さらに、高速応答が可能な光スイッチング素子を実現している。すなわち、本発明の光スイッチング素子は、光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、全反射面に対しエバネセント光が漏出する抽出距離以下に接近する第1の位置、および抽出距離以上に離れる第2の位置に移動可能な透光性の抽出面を備え、抽出した光を導光部の方向に反射する光スイッチング部と、この光スイッチング部を駆動する駆動部とを有し、これらの導光部、光スイッチング部および駆動部が光の出射方向に対しこの順番で積層されていることを特徴としている。
【0007】
本発明の光スイッチング素子は、導光部、光スイッチング部およびその駆動部を積層化することにより、光スイッチング素子を導光部、光スイッチング部およびその駆動部の各々の部分の機能を備えたほぼ独立した層構造のパーツを積み重ねて構成する階層構造にすることができる。従って、それぞれの部分を最適化することが容易である。特に、本発明の光スイッチング素子は、光スイッチング部によって光が導光部に向かって反射され、駆動部は光が透過しない形態となっている。従って、駆動部は光学的な考慮をはらわずに最適化することが可能であり、例えば、光スイッチング部を駆動部の側からサポートするようにすることで、導光部を光スイッチング部の側を平面となったパネル構造にすることができる。また、導光部がフラットな面となり、光スイッチング部を支持する部分を設けなければ、導光部の殆どの面積を光を抽出する面として使用することができるので、光が出射する開口面積が大きく、開口率の高い、光量の大きな光スイッチング素子を実現できる。さらに、駆動部は、駆動部を制御するIC基板上に形成することも可能であり、画面制御用のICチップと一体化した光スイッチング素子を実現することも可能である。
【0008】
このような本発明の光スイッチング素子は、それを1画素とし、複数の光スイッチング素子を2次元的に配置して導光部は白色または3原色の光が伝達可能なように接続することにより画像表示装置を構成することができ、高速で解像度の高い画像表示が可能な画像表示装置を階層構造化して低コストで提供することができる。また、ICチップと一体化した画像表示装置とすることももちろん可能となる。
【0009】
反射型の光スイッチング部とするために、抽出された光を出射する出射体として、抽出面によって抽出された光を反射するマイクロプリズムまたは光散乱性のものを用いることができ、出射光の方向を制御して導光部の全反射面に対して垂直方向に近づけることができる。
【0010】
駆動部には、駆動力が印加されないときに、光スイッチング部を第1の位置で導光部に向かって加圧可能な弾性体と、この弾性体の弾性力に対抗して光スイッチング部を第2の位置に電力を用いて移動可能な第1の駆動力発生部とを設けることが望ましい。電力を用いて制御される第1の駆動力発生部は制御が容易であるが電圧あるいは電流の変動に伴って駆動力が変化する。これに対し、弾性体を用いた駆動力は機械的で安定している。従って、光スイッチング部の抽出面を導光部の全反射面に接近させて光スイッチング部をオン状態にする駆動力として安定した弾性体を用いた駆動手段を採用することができる。さらに、適当な距離を開けることによって光をオフ状態にする駆動力として制御が容易な電力を用いた駆動手段を採用することにより、安定した光量が確保でき、制御能力の高い光スイッチング素子を提供することができる。
【0011】
この弾性体は、光スイッチング部が第1の位置になったときに撓んだ状態が残るように設定することが望ましい。撓んだ状態を残すことにより、オン状態では、導光部の全反射面に対し抽出面が弾性体によって加圧された状態となるので抽出面が全反射面に密着され、オンのときは明るく、オン・オフのコントラストの高い光スイッチング素子を提供することができる。また、弾性体に撓みを持たせることにより、振動、温度変化あるいはその他の経時変化による導光部と光スイッチング部の間隔、あるいは光スイッチング部と駆動部の間隔などの変化を吸収することが可能となる。
【0012】
さらに、駆動部として、光スイッチング部を第2の位置に電力を用いて移動あるいは保持可能な第2の駆動発生部を設けることができる。弾性体に加えて、第1の駆動発生部および第2の駆動発生部を設けることにより、光スイッチング部を第1および第2の位置に安定して保持できるので、制御の安定した動作の信頼性の高い光スイッチング素子を提供できる。
【0013】
駆動力発生部には、駆動用電極を設けることによって、光スイッチング部を静電気力で動かすことが可能であり、簡易な構成で信頼性が高く、十分な駆動力を得ることができる。
【0014】
さらに、光スイッチング部と共に動く第1の駆動用電極と、基板に設置された第2の駆動用電極とを設け、さらに、第1および第2の駆動用電極の距離が狭くなる第1のスペースと、バネ部材が収納可能なように基板および光スイッチング部の距離が広くなる第2のスペースとを形成するスペーサ、例えば、駆動部を下として見たときに断面がT字形あるいは逆台形状などのスペーサを設けることが望ましい。駆動部においては、狭い第1のスペースの駆動用の電極に電圧を印加することにより、スペーサを介して光スイッチング部をオンオフできるので、駆動のための電圧を低くすることができ、高速動作が可能となる。一方、弾性体であるバネ部材は広い第2のスペースに収納することができるので有効長が長くとれ、光スイッチング部を加圧する力を調整することが可能である。従って、駆動用電極による駆動力は小さくともオンオフ動作が確実に行える弾性力が得られるように調整できる。また、T字形あるいは逆台形状のスペーサを採用することにより、光スイッチング部の面積を割かずにバネ部材の有効長を確保できるので、光が出射される開口率が高く、画像表示装置を構成したときに隣接する光スイッチング素子同士がほとんど繋がったシームレスとなる光スイッチング素子を提供することができる。
【0015】
駆動部の弾性体としての機能を発揮するバネ部材は、コイルバネなどの任意な形状のものを用いることができる。しかしながら、バネ部材は、光スイッチング部(素子)の境界近傍の支持部で一端が支持され、他端が光スイッチング部に繋がった板状のバネを採用することにより、バネ部材により光スイッチング部の位置決めを行うことができる。この際、バネ部材には、境界近傍にスリットまたは穴が形成された板状のバネを採用することにより、隣接する光スイッチング部に対する影響を防止でき、また、バネ部材の弾性係数を光スイッチング部を駆動するのに適当な値に設定することができる。例えば、このような板状のバネは、境界近傍に設けられた支柱に一端が接続され、光スイッチング部から放射状に延びた幅の狭いバネ部材となる。このようなバネ部材に対し、第1の駆動用電極を光スイッチング部から放射状に広がっている構造にすることにより、電極面積を広くできるので、低電圧で高い駆動力が得られ、駆動電圧を下げることができる。また、バネ部材は、境界に沿って延びた螺旋状の部分を備えた板状のバネとすることにより、面積を増やさずにバネの有効長を長くできるので、光スイッチング部を駆動するための電圧を下げ、消費電力を低減することができる。さらに、二重螺旋構造を用いることもできる。また、バネの屈曲部(両支点の中間部)を、他の部分より薄くすることにより弾性係数を下げてバネの有効長を長くしたのと同じ効果を得ることも可能である。このような板バネの支持部は、境界近傍に規則的に配置され、複数の光スイッチング素子を用いて画像表示装置を構成したときに隣接するスイッチング素子と共用するように構成することができる。支持部は光スイッチング素子同士の境界に沿って長く延びた突起のようなものであっても良いが、境界に沿って断続的に存在する支柱を採用することにより、支持部の占めるスペースを減らすことが可能であり、そのスペースを電極あるいは他のスペースとして用いることができる。また、支柱はランダムに配置することも可能であるが、所定の規則に沿って配置することによりシンメトリで組み立てやすく性能の安定した光スイッチング素子および画像表示装置を提供することができる。
【0016】
バネ部材としては、ボロンドープされたシリコン薄膜のような導電性のある薄膜部材を採用することができ、駆動用の電極を兼ねた構造にすることが可能である。従って、基板側の第2の駆動用電極に対峙した領域が第1の駆動用電極として機能し、その他の部分がバネ部材として機能するようにすることができる。
【0017】
一方、導光部とバネ部材との間に補助支持部を設け、さらに、バネ部材に上記のようなスリットあるいは穴などを設けずに、光スイッチング部の側をほぼ密封できる板状のバネにして、光スイッチング部の側を駆動部の側より負圧にすることができる。これにより、外気圧によってバネ部材が補助支持部に押しつけられ、光スイッチング部との隙間を均等に保つことができる。また、圧力差によってオンのときに光スイッチング部が導光部に密着される。従って、安定した動作が行われ、コントラストの高い光スイッチング素子を提供することができる。
【0018】
また、駆動部と光スイッチング部を有する空間すなわち光スイッチング素子の内部が密封された空間になるようにして、内部の圧力を低くするか、または、不活性ガス等の気体を空気と置換し内部の圧力を低くすると、スイッチング動作時の気体の流動抵抗を低くできるので、気体によるダンパー効果などの摩擦が生じなくなり、駆動電圧を下げ、駆動速度を上げ、さらにオンオフの切り替えを高速で行うことができる。よって、高速応答が可能な光スイッチング素子の提供が可能となる。
【0019】
【発明の実施の形態】
〔第1の実施の形態〕
図1に、本発明の光スイッチング素子1を複数用いた画像表示装置2の概略構成を示してある。本例のスイッチング素子1は、ガラス製あるいは透明プラスチック製などの使用する光の透過率の高い光ガイドとなる導光部20を有している。この導光部20は、入射光10が全反射により伝達されるように、入射光10の入射角に対して適当な角度となる全反射面22が形成されている。
【0020】
本例のスイッチング素子1は、この導光部20の下方(全反射面22の側)に、導光部20から光を抽出して上方に反射する光スイッチング部30の層、この光スイッチング部30を動かす駆動部40の層、および駆動部40を制御する駆動用ICが構成されたシリコン基板70の層が順番に積層されており、それぞれの機能部分が階層構造を成している。
【0021】
光スイッチング部30は、導光部の全反射面22の側が全反射面22にほぼ密着可能な平坦な抽出面32となったマイクロプリズム34を出射体として備えている。本例のマイクロプリズム34は、抽出面32が底面となった三角形のプリズムになっており、全反射面22から抽出した光を全反射面22にほぼ垂直な方向に反射して導光部20の全反射面22の反対側の投写面21から出射できるようになっている。
【0022】
この光スイッチング部30を駆動するために、光スイッチング部30の下層に設けられた駆動部40は、マイクロプリズム34を支持する断面が略T字形となったスペーサ42と、このスペーサ42を介して光スイッチング部30の抽出面32を導光部20の全反射面22に接する第1の位置で導光部20に向かって加圧可能な弾性体である板状のバネ部材50と、静電気力を用いて抽出面32を全反射面22から離れた第2の位置に移動する電極60および62のセット(第1の動力発生部)を備えている。従って、本例の光スイッチング素子1では、駆動部20に電力が供給されていないと、バネ部材50によって抽出面32が全反射面22に接近(第1の位置)し、導光部20から光が抽出されて投写面21から出射される(オン状態)。一方、駆動部20に電力が供給されると、電極60および62により離れるので(第2の位置)、光は導光部20から抽出および出射されなくなる(オフ状態)。
【0023】
さらに、本例の画像表示装置2は、このような構成の光スイッチング素子1が図1の横方向と同様に紙面に垂直な方向にも2次元的に配置されており、これら光スイッチング素子1が1画素として画像を表示できるようになっている。
【0024】
また、この画像表示装置2は、駆動部40を制御する回路が構成されたシリコン基板70の表面に形成されており、画像駆動用のIC70と一体となった画像表示装置2が実現されている。
【0025】
図2に、光スイッチング素子1を光スイッチング部30を中心に拡大して示してある。本図に示した左側の光スイッチング素子1aはオン状態を示してあり、右側の光スイッチング素子1bはオフ状態を示してある。本例の光スイッチング素子1は、導光部20の全反射面22から漏出しているエバネセント波を抽出面32で捉えて画像形成などのために利用できるようにしている素子である。
【0026】
図3にエバネセント波の透過率の例をいくつか示してある。全反射されている面に透明体を近接すると、エバネセント波が透明体側に漏れ出て光が透過する。エバネセント波の透過率は、媒体の屈折率や入射角度などによって相違するが、図3に、波長λが500nmの光に対して入射角を50°としたときにエバネセント波の透過率(%)を全反射面22と抽出面(透明体)32との間隔(μm)に対して測定した透過曲線14を示してある。同様に入射角60°のときの特性曲線15、入射角70°の特性曲線16、入射角80°の特性曲線17も示してある。これら特性曲線は、ほぼ同じような傾向を示しており、抽出面32が全反射面22に0.1〜0.05μm以下に接近する(第1の位置)と透過率が50%程度になる。一方、抽出面32が全反射面22から0.2μm以上離れる(第2の位置)と透過率は10%以下になり、さらには、抽出面32の距離が0.3μmを越えると透過率はほぼ0%になる。従って、図2の光スイッチング素子1aで示すオン状態と、光スイッチング素子1bで示すオフ状態とでは、光スイッチング部32を0.2〜0.3μm程度移動させるだけで良い。このため、本例の光スイッチング素子1を用いることにより、高速で画素を制御でき、コントラストの高い画像を得ることができる。また、光スイッチング部32の移動距離が短くて済むので、駆動電極60および62の間隔も短くなる。従って、これらの電極によって静電気力を発生するための駆動電圧も小さくて良く、消費電力の少ない画像表示装置2を提供することができる。
【0027】
図2に基づいて、本例の光スイッチング素子1の構成をさらに詳しく説明する。本例の光スイッチング素子1は、光スイッチング素子1aに示すように、駆動部40に設けられたバネ部材50によってスペーサ42が押し上げられ、光スイッチング部30の抽出面32が全反射面22に対し、上述したような間隔でほとんど密着することによってエバネセント波を捉えることができる。そして、捉えられたエバネセント波10は出射体であるプリズム34の反射面34aで反射して導光部20から外界に放出される。一方、光スイッチング素子1bに示すように、電極60および62の静電気力によってプリズム34がバネ50に逆らって下に動き、抽出面32と全反射面22との間に上述したような間隔が開くと、エバネセント波をプリズム34で捉えることができなくなる。
【0028】
プリズム34を支持する本例のスペーサ42は、断面がほぼT字形をしており、中心が基板70の表面71とスペーサ42の下面42aとの隙間が狭くなった第1のスペース45になっており、両側が基板の表面71とスペーサ42の下面42bとの隙間が広くなった第2のスペース46となっている。隙間の狭い第1のスペース45を挟むように、スペーサ42の下面42aと基板の表面71に電極62および60が設けられている。一方、間隔の広い第2のスペース46には、バネ部材50が設けられており、このバネ部材50がスイッチング素子1の境界に設けられた支柱44とスペーサ42を接続し、光スイッチング部30のマイクロプリズム34の位置が決まるようになっている。さらに、光スイッチング素子1aおよび1bに示すように、T字形のスペーサ42で形成された第2のスペース46で板状のバネ部材50が変形できるようになっており、電極60および62の間隔(第1のスペース)を開けずに、バネ部材50の設置スペースが確保できている。従って、電極60および62に供給する駆動電圧は低くて良いので、上述したように消費電力を抑えることができる。
【0029】
また、T字形のスペーサ42を採用することにより、プリズム34の下の駆動部40の層に位置するスペース46をバネ部材50の設置スペースとすることができる。このように、駆動部40の部材であるバネ部材50の処理を駆動部40の層で処理することにより、光スイッチング部30の層では、隣接する光スイッチング素子1aおよび1bの間にバネ部材50を設置するためのスペースが不要である。従って、プリズム34の面積を大きくすることが可能となり、導光部20から光を抽出できる面積率(開口率)を高くし、出射される光量の大きな明るい光スイッチング素子を提供することができる。
【0030】
さらに、本例の光スイッチング素子1では、駆動部40の層に支柱44を設けて駆動部40で光スイッチング部30をサポートできるようにしており、導光部20にプリズム34を支持する構造をエッチングなどを用いて形成する必要がない。従って、導光部20の全反射面22は、複数の光スイッチング素子1に対してフラットな平面となり、シンプルな形状の部材を導光部20として採用できる。そして、バネ部材50を設置する空間も駆動部40に設けることができるので、光スイッチング部30としては光スイッチング素子1aおよび1bを間隔を殆ど開けずに配置することが可能となる。従って、本例の光スイッチング素子を用いることにより画素同士の間が殆ど開かない、画素の境目が判らないシームレスな、あるいはシームレスに近い画像を形成可能な画像表示装置2を提供することができる。
【0031】
さらに、本例の光スイッチング素子1においては、光スイッチング素子1aに示すように、オン状態では静電気力を用いずにバネ部材50の力でマイクロプリズム34の抽出面32を導光部20の全反射面22に押しつけるようにしている。また、オン状態では、さらに、バネ部材50に多少の変位51を持たせ、プリズム34を全反射面22に押圧できるようにしている。電力を用いて制御される静電気力は、制御が容易であるが供給電圧が変動すると抽出面32を全反射面22に押しつける力が変化する。図3に示したように、電圧が下がって押圧が不足し、抽出面32と全反射面22との隙間が0.1〜0.15μm程度になると透過量は20%近傍あるいはそれ以下となり、オンオフのコントラストが低下してしまう。これに対し、バネ部材50によって得られる力は、機械的で電圧変動に関係なく安定している。従って、本例のスイッチング素子1においては、オン状態にする駆動力として安定したバネ部材50の力を用い、一方、オフ状態にする駆動力として制御が容易な静電気力を用いることにより、安定した光量を確保すると共に、制御能力の高い光スイッチング素子を提供できるようにしている。
【0032】
さらに、オン状態のバネ部材50に変位(撓み)51を持たしておくことにより、適度な力で抽出面32を全反射面22に押し当てることが可能となる。従って、振動、温度変化あるいはその他の経時変化による導光部と光スイッチング部の間隔、あるいは光スイッチング部と駆動部の間隔などが変化した場合でもそれを吸収して、オンオフのコントラストが低下するのを防止できる。さらに、本例のスイッチング素子1は、上述したようにT字形のスペーサ42によってバネ部材50の設置スペースとして広いスペース46が確保されているので、その内部でバネ部材50を変位させておくことが可能である。この撓み51の程度はオフ状態の間隔より少ない、すなわち、0.1〜0.2μm程度が好ましい。
【0033】
さらに、本例のバネ部材50は、ボロンドープされたシリコン製の薄膜49で形成されており、導電性がある。従って、広いスペース46の領域では、この薄膜49をバネ部材50として機能させ、狭いスペース45の領域では、スペーサ42にこの薄膜49を固定して電極62として機能させることができる。
【0034】
駆動部40に備えられているバネ部材50は、弾性係数を適度な値にすることが重要である。弾性係数が高すぎると、短い間隔でも動かすのに非常に力が必要になり、大きな静電気力が要求されるので、駆動電圧が高くなってしまう。一方、弾性係数が低すぎると、プリズム34の抽出面32を全反射面22に押しつける力が得られるなくなる。画像表示装置2に用いられて画素を構成するような光スイッチング素子1のサイズは、十数ミクロンから数百ミクロンであり、このようなマイクロマシンにおいては、バネ部材50の有効長を長くして弾性係数を低く抑えることが重要である。このため、本例の光スイッチング素子1においては、T字形のスペーサ42を用いて確保された広くスペース46内にバネ部材50を配置して有効長を長くすると共にさらにバネ部材50を細くして有効長を長くするようにしている。
【0035】
図4に、本例の光スイッチング素子1の駆動部40の配置を底面(基板70の側)より見た様子を示してある。シリコン薄膜49は、四方の支柱44からスペーサ42の底面42aに向かって放射状に延びたバネ部材50(明示するために縦線で示してある)を形成するために、隣接する他のスイッチング素子との境界になる支柱44の周囲が大きくカットされて穴52が形成されている。また、底面42aに残ったシリコン薄膜49はほぼ四角形の電極62(明示するために斜線で示してある)を形成している。このように、幅の狭い板状のバネ部材50を形成することにより、有効長を長くして駆動電圧を下げることができる。また、画像表示装置においては、隣接する光スイッチング素子との接続部分が細くなるので、光スイッチング素子で構成される画素の間でオンオフ状態が相互に影響を及ぼすのを未然に防ぐことができる。
【0036】
図5に、本例の上記と異なったバネ部材50の例を示してある。本例では、シリコン薄膜49に、スペーサ42から支柱44の方向に延びた放射状にスリット53を形成して細長いバネ部材50を形成すると共に、スペーサ42の底面42aに取り付けられた電極62から放射状の電極62aをさらに広げて形成し、電極の面積を広く確保している。このように、電極62の面積を広げることにより、光スイッチング部30を駆動するために印加する駆動電圧を小さくすることが可能となる。
【0037】
図6に、上記とさらに異なったバネ部材50の例を示してある。図6(a)および図6(b)には、画像表示装置を構成するために2次元的に配置された複数の光スイッチング素子1のうち、4つの光スイッチング素子1が配置された状態をシリコン基板70の側から見た様子を示してある。本例においては、シリコン薄膜49にそれぞれの光スイッチング素子1の境界に沿った方向にスリット53を形成し、スペーサ42の周囲、すなわち、光スイッチング素子1の境界に沿って螺旋状に延びたバネ部材50を構成している。このように、バネ部材50を境界に沿った方向に延ばすことにより、バネ部材50の有効長をさらに長くすることができ、その一方で、スペーサ42の底面42aを広げて電極62の面積を広く確保することができる。従って、これらの効果により、駆動電圧を大幅に下げることが可能となる。図6(b)は、さらに、スリット53を長くしてバネ部材50がスイッチング素子1の境界に沿った2辺に達するまで長くを螺旋状にさらに確保できるようにした例であり、バネ部材50の有効長をいっそう長し、駆動電圧を下げることができる。もちろん、さらにスリット53を長くして、境界に沿って有効長の長いバネ部材50を形成することも可能である。
【0038】
図7に、さらに異なったバネ部材の例を示してある。本例では、バネ部材50がスペーサ42と接する部分、あるいは支柱44と接続されている部分と比較し、その中央部55の厚みを薄くして弾性係数を下げ、駆動電圧を低減できるようにしている。このように、上記に示した幾つかの例あるいはこれらを組み合わせることにより、バネ部材50の弾性係数を下げることができるので、光スイッチング部30を動かすために電極60および62に印加して静電気力を発生される駆動電圧を小さくすることができる。従って、低電気消費量で稼動可能な光スイッチング素子1を提供することができ、画像表示装置2の全体の電力を押さえることが可能となる。
【0039】
本例の光スイッチング素子1は、導光部20、光スイッチング部30および駆動部40が順番に積層された構造を採用し、反射型の光スイッチング部30とすることにより、出射方向が積層された方向、すなわち、導光部20を向いた光スイッチング素子であり、駆動部40を抽出した光が通過しない構成の光スイッチング素子を提供することができる。従って、駆動部40は光学的な特性を考慮せずに設計できるので、光スイッチング部30を支持し駆動する構成を上述したように全て駆動部40で実現するように最適化することが可能となり、光スイッチング部30および導光部20の構成を非常にシンプルにすることができる。そして、導光部20、光スイッチング部30および駆動部40を層構造にして独立した設計が可能となり、導光部20は全反射面22がフラットな平板状の部材を用いることができる。また、光スイッチング部30には抽出面32の広いプリズムなどの出射体34を用いることができる。さらに、駆動部40には、オンオフ動作を高速で安定して行える信頼性の高いメカニズムを採用することができる。このため、本発明により光量が多く光のロスの少ない光スイッチング素子を提供可能であり、さらに、オンオフのコントラストも高く画質の良い光スイッチング素子を提供することができる。
【0040】
さらに、本例の光スイッチング素子1は、駆動部40を駆動回路などが構成されたシリコンIC基板上に、エッチングなどの微細加工に適した半導体製造技法あるいはマイクロマシンの製造技術を用いて製造することができ、複数の光スイッチング素子1を高密度で集積化することも容易である。従って、本発明の光スイッチング素子を用いることにより、薄くて解像度の高い画像表示装置2を提供することができる。
【0041】
図8に、本発明に係る画像表示装置2を用いた投射装置6を示してある。本例の投写装置6は、導光部2の全反射面22に、駆動回路と共に光スイッチング部30および駆動部40が搭載されたICチップ5が取り付けられている。画像表示装置2の導光部20には、一方に入射用の面81が用意されており、この面に向かって光源から赤緑青(RGB)、またはシアン、マゼンダ、イエローなどの光の3原色が時分割で入射される。本例の光源80は、白色のメタルハライドランプ80aと、モータで回転される3色分割フィルタ80bとを備えており、3色分割フィルタ80bで色分割された光線がコリメータレンズ80cを通して並行光束化されて入射面81から導光部20に入射される。そして、全反射面22に到達した入射光10は、ICチップ5を用いて構成された個々の光スイッチング素子によって反射されて導光部20を透過する出射光12となって出射され、投射レンズ85を通ってスクリーンなどに投写されて所望の画像が形成される。一方、光スイッチング素子によって出射光に変換されなかった入射光10は、全反射によって導光部20の入射面81と反対側の反射面82に到達し、この面で反射されて再び導光部20内を伝達し、光スイッチング素子に到達する。
【0042】
このように、本例の画像表示装置2は、時分割され入射光に同期してICチップ5により構成された光スイッチング素子を操作することによりカラー画像を投射することができる。もちろん、白色光を入射光10として採用し、波長選択性のある光抽出部を用いた光スイッチング素子によってカラー画像を投射も可能である。
【0043】
〔第2の実施の形態〕
図9に、上記と異なる光スイッチング素子の例を示してある。本例の光スイッチング素子1も、出射光12の方向に対し、導光部20、反射型の光スイッチング部30および駆動部40がこの順番に積層された階層構造となっており、上述した実施例と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。本例の光スイッチング素子1は、光スイッチング部30の駆動部40として、駆動電極60および62のセット(第1の駆動部)に加え、新たに光スイッチング部30を上方、すなわち、オン状態に引っ張り上げる駆動電極64および66のセット(第2の駆動部)が設けられている。本例においては、スペーサ42からプリズム34を支持するバッファ部材35の側面に、ほぼコの字型の切り欠き38を対称な位置に形成し、そのスペース38に支柱44から延ばした補助柱47を挿入し、スペース48と補助柱47とに新たな電極64および66をそれぞれ固定して第2の駆動部を形成している。本例の光スイッチング素子1においては、オフ状態を電力を用いて制御する電極60および62からなる第1のセットに加え、オン状態も電力(静電気力)を用いて制御できる電極64および66の第2のセットが設けられている。このため、バネ部材50の駆動力に加えて電力を用いてオンオフの両方の状態を制御することができるので、より安定した駆動制御が可能であり、いっそう信頼性の高い光スイッチング素子1を提供することができる。
【0044】
〔第3の実施の形態〕
図10に、本発明に係る光スイッチング素子の異なった例を示してある。光スイッチング素子1も、導光部20と、光スイッチング30と、駆動部40とがこの順番にIC部70の基盤に積層されており、上述した実施例と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。本例の光スイッチング素子1では、バネ部材50および電極62を兼ねて支柱44およびスペーサ42を接続するように設置された薄膜49が導光部20に対して補助柱48によって支持されており、抽出面32と全反射面22との間隔が光スイッチング素子1の間でほぼ均等に保たれるようになっている。さらに、薄膜49には穴あるいはスリットが形成されておらず、光スイッチング部30の層を薄膜49と導光部20で密封できるようになっている。そして、光スイッチング部30の圧力が外気に対し負圧になるように調整されている。これにより薄膜49が補助柱48に密着され、複数の光スイッチング素子1を2次元的に並べて画像表示装置2を構成したときに薄膜49と全反射面22との間隔、すなわち、薄膜49に取り付けられた光スイッチング部30の抽出面32と導光部20の全反射面22との隙間をほぼ均等に保つことができる。従って、複数の光スイッチング素子1で構成される画像表示装置2の全画素で安定したスイッチング動作が行われ、全ての画素で高いコントラストを得ることができる。この補助柱48は、全ての画素を構成するスイッチング素子に設ける必要はなく、適当な間隔を開けたり、あるいはランダムに配置してももちろん良い。
【0045】
さらに、光スイッチング部30の側が負圧になるように調整されているので、外気圧によって光スイッチング部30の抽出面32は全反射面22に対し押圧される。従って、本例の光スイッチング素子1においては、バネ部材50の力に加えて大気圧も利用して抽出面32を全反射面22に対し密着させて、高いコントラストを得ることができる。
【0046】
また、本例の光スイッチング素子1においては、バネ部材50とプリズム34の間に位置するスペーサ42としてT字形に代わり逆台形状のものを採用している。このように、逆台形状のスペーサ42を用いてもバネ部材50を配置する広いスペース46と、電極60および62を配置する狭いスペース45を確保することが可能である。
【0047】
さらに、光スイッチング部30に加えて、駆動部40も密封し、導光部20およびシリコン基板70で囲われた領域全体を密封して負圧にすることも可能である。この領域の圧力を下げることにより、光スイッチング部30および駆動部40を構成するプリズム34、バネ部材50などがスイッチング動作するために動くときに気体の流動抵抗がなくなり、ダンパー効果などによる抵抗が大幅に低下する。従って、オンオフ動作のときの駆動速度を上げることが可能となり、また、駆動力を低減できるので、高速動作が可能で消費電力の低いスイッチング素子および画像表示装置を提供することができる。また、上記密封された空間を水分を含まない気体で置換し、しかも外部より負圧にすることにより、上述の効果に加え、吸着等の原因となる水分を除去でき、しかも、不活性ガスであれば、酸化等の変質を防止できる。
【0048】
〔第4の実施の形態〕
図11に、本発明の光スイッチング素子の他の例を示してある。本例の光スイッチング素子1も、導光部20と、光スイッチング30と、駆動部40とがこの順番にIC部の基板70に積層されており、上述した実施例と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。本例の光スイッチング素子1では、光スイッチング部30では複数の反射体を含んだ反射型の出射体36を採用している。従って、オン状態で抽出面32によって捉えられたエバネセント光は出射体36で導光部20の側に適度な角度で散乱され、広い視野角で見える画像を形成することができる。
【0049】
さらに、本例の光スイッチング素子1ではスイッチング部30を駆動する駆動部として静電力の代わりにピエゾ素子69による電歪力を用いている。本例のピエゾ素子69は、分極方向が異なる2層を積層したバイモルフタイプであり、電力を与えると湾曲した状態から直線状態に延びてバネ部材50を引っ張り、光スイッチング素子1をオフ状態にできるようになっている。一方、電力を与えないと湾曲した弾性力のある状態となり、バネ部材50の弾性力と共に適当な力で光スイッチング部30を導光部20に向けて押圧し、コントラストの高い光スイッチング素子を実現できるようになっている。
【0050】
なお、本発明に係る光スイッチング素子1は、導光部20、光スイッチング部30、および駆動部40が階層構造を成しているので、上述した各々の実施の形態に係る光スイッチング部30あるいは駆動部40を自由に組み合わせて用途に適した光スイッチング素子1を構成することができる。また、本発明の光スイッチング素子は、画像表示装置に限定されるものではなく、光プリンターのライン状ライトバルブ、三次元ホログラムメモリ用の光空間変調器などその応用範囲は非常に広く、従来の液晶を用いた光スイッチング素子が適用されている分野はもちろん、液晶を用いた光スイッチング素子では動作速度や光強度が不足する分野および応用機器に対して、本発明の光スイッチング素子は特に適している。さらに、本発明の光スイッチング素子は微細加工が可能であるので、従来の液晶の光スイッチング素子よりも小型化、薄型化を図ることができ、高集積化することも可能である。
【0051】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の光スイッチング素子は、光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部に抽出面を接し、全反射面から漏出するエバネセント光を捉えて画像を形成可能とするものであり、導光部、反射型の光スイッチング部および駆動部を出射方向に対しこの順番に積層することにより、抽出した光を光スイッチング部で導光部の方向にほぼ垂直に反射し、駆動部における光の損失がない明るい光スイッチング素子を提供することができる。さらに、このような積層構造を採用することにより、導光部、光スイッチング部および駆動部の各々の階層を最適な構造にすることが可能であり、また、機能あるいは構造の異なる階層を自由に組み合わせることも可能となる。特に、駆動部で光スイッチング部の位置決めを行い、さらに弾性体であるバネ部材の設置スペースを設けることにより、導光部をフラットな部材とし、また、光スイッチング部の抽出面の面積を大きくすることができる。従って、開口率の大きな明るくコントラストの高い光スイッチング素子を提供することが可能となり、本発明の光スイッチング素子を用いることにより、画質の良い画像が得られる画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る光スイッチング素子の概略構成を示す断面図である。
【図2】図1に示す光スイッチング素子の構成を拡大して示す断面図である。
【図3】エバネセント波の透過率を全反射面と抽出面との距離に対して示すグラフである。
【図4】図1に示す光スイッチング素子のバネ部材の構成を基板の方向から見た様子を示す図である。
【図5】図4に示したバネ部材と異なる例を示す図である。
【図6】図4に示したバネ部材とさらに異なる例を示す図である。
【図7】図4に示したバネ部材とさらに異なる例を示す図である。
【図8】図1に示す画像表示装置を用いた投写装置の例を示す図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図10】本発明の第3の実施の形態に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図11】本発明の第4の実施の形態に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図である。
【図12】従来の液晶を用いた光スイッチング素子を示す図である。
【符号の説明】
1・・光スイッチング素子
2・・画像表示装置
6・・投写装置
10・・入射光
12・・出射光
20・・導光部
22・・全反射面
30・・光スイッチング部
32・・抽出面
34・・出射体(プリズム)
36・・出射体(散乱体)
40・・駆動部
42・・スペーサ
44・・支柱
45・・駆動電極用の狭いスペース(第1のスペース)
46・・バネ部材用の広いスペース(第2のスペース)
47、48・・補助柱
49・・シリコン薄膜
50・・バネ部材
51・・バネ部材の撓み
52・・穴
53・・スリット
60、62・・駆動電極(第1のセット)
64、66・・駆動電極(第2のセット)
69・・ピエゾ素子
70・・IC部
80・・光源
80a・・メタルハイランドランプ
80b・・3色分割フィルター
81・・入射用の面
82・・反射面
85・・撮影レンズ
90・・大気圧
908・・偏光板
903・・ガラス板
904、905・・透明電極
906、907・・液晶
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switching element (light valve) used for optical communication, optical computation, an optical storage device, an optical printer, an image display device, and the like, and more particularly to an optical switching element and an image display suitable for an image display device. It relates to the device.
[0002]
[Prior art]
Conventional optical switching elements using liquid crystals are known. As shown schematically in FIG. 12, the conventional optical switching element 900 is composed of polarizing plates 901 and 908, glass plates 902 and 903, transparent electrodes 904 and 905, and liquid crystals 906 and 907, with a voltage between the transparent electrodes. Was applied to change the direction of the liquid crystal molecules and rotate the polarization plane to perform optical switching. The conventional image display device uses a liquid crystal panel in which such optical switching elements (liquid crystal cells) are arranged two-dimensionally, and gradation expression controls the direction of liquid crystal molecules by adjusting the applied voltage. Met.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the liquid crystal has poor high-speed response characteristics and operates only at a response speed of about several milliseconds. For this reason, it has been difficult to apply an optical switching element using liquid crystal to optical communication, optical computation, an optical storage device such as a hologram memory, an optical printer, or the like that requires a high-speed response. Moreover, in the optical switching element using a liquid crystal, there also existed a problem that the utilization efficiency of light fell with a polarizing plate.
[0004]
Further, in recent years, image display devices have been required to have higher quality image quality, and there is a demand for an optical switching element that can perform display with more accurate gradation expression than an optical switching element using liquid crystal.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical switching element that is capable of high-speed response with little loss of light. It is another object of the present invention to provide an optical switching element that can provide uniform contrast and display with good image quality.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the present invention, the evanescent light is extracted by bringing the light-transmitting extraction surface of the optical switching unit into contact with the light guide unit capable of totally reflecting and transmitting the light, and about one wavelength of the optical switching unit or Using an optical switching element capable of controlling light on and off at a high speed by a minute movement below that, and further making the optical switching unit a reflection type, a light guide unit, an optical switching unit, and a drive unit for driving the optical switching unit Are arranged in this order from the light irradiation direction so that a hierarchical structure can be formed. In addition, an optical switching element is realized that has a large amount of emitted light, little loss of the emitted light, and is capable of high-speed response. That is, the optical switching element according to the present invention includes a light guide unit including a total reflection surface capable of transmitting light by total reflection, and a first position approaching the extraction distance or less where evanescent light leaks from the total reflection surface. And an optical switching unit that includes a translucent extraction surface that can move to a second position that is more than the extraction distance, and that reflects the extracted light toward the light guide unit, and a drive unit that drives the optical switching unit The light guide unit, the optical switching unit, and the drive unit are stacked in this order with respect to the light emission direction.
[0007]
The optical switching element of the present invention has a function of each part of the light guide unit, the optical switching unit, and the drive unit by stacking the light guide unit, the optical switching unit, and the drive unit thereof. It is possible to make a hierarchical structure in which almost independent layered parts are stacked. Therefore, it is easy to optimize each part. In particular, in the optical switching element of the present invention, light is reflected by the optical switching unit toward the light guide unit, and the drive unit does not transmit light. Therefore, the drive unit can be optimized without taking optical considerations into consideration. For example, by supporting the optical switching unit from the drive unit side, the light guide unit is arranged on the optical switching unit side. Can be a flat panel structure. In addition, if the light guide part is a flat surface and a portion that supports the light switching part is not provided, most of the area of the light guide part can be used as a surface from which light is extracted. Therefore, an optical switching element with a large aperture ratio and a large light amount can be realized. Furthermore, the drive unit can be formed on an IC substrate that controls the drive unit, and an optical switching element integrated with an IC chip for screen control can be realized.
[0008]
Such an optical switching element of the present invention has a single pixel, a plurality of optical switching elements are two-dimensionally arranged, and the light guide unit is connected so that light of white or three primary colors can be transmitted. An image display apparatus can be configured, and an image display apparatus capable of displaying an image with high resolution at high speed can be provided at a low cost by forming a hierarchical structure. Of course, an image display device integrated with an IC chip can be realized.
[0009]
In order to obtain a reflection-type optical switching unit, a microprism that reflects the light extracted by the extraction surface or a light scattering material can be used as the emitting body that emits the extracted light. Can be controlled to approach the vertical direction with respect to the total reflection surface of the light guide.
[0010]
The drive unit is provided with an elastic body capable of pressing the optical switching unit toward the light guide unit at the first position when no driving force is applied, and the optical switching unit is opposed to the elastic force of the elastic body. It is desirable to provide a first driving force generator that can move using electric power at the second position. The first driving force generator that is controlled using electric power is easy to control, but the driving force changes as the voltage or current fluctuates. On the other hand, the driving force using the elastic body is mechanical and stable. Accordingly, it is possible to employ a driving means using a stable elastic body as a driving force for bringing the extraction surface of the optical switching unit closer to the total reflection surface of the light guide unit and turning on the optical switching unit. Furthermore, by adopting driving means that uses electric power that is easy to control as the driving force to turn off the light by opening an appropriate distance, a stable light quantity can be secured and an optical switching element with high control capability is provided. can do.
[0011]
The elastic body is desirably set so that a bent state remains when the optical switching unit is in the first position. By leaving the bent state, in the on state, the extraction surface is pressed against the total reflection surface of the light guide by the elastic body, so the extraction surface is in close contact with the total reflection surface, and when it is on, It is possible to provide an optical switching element that is bright and has high on / off contrast. Also, by giving the elastic body bending, it is possible to absorb changes such as the distance between the light guide section and the optical switching section or the distance between the optical switching section and the drive section due to vibration, temperature change or other changes over time. It becomes.
[0012]
Further, as the drive unit, a second drive generation unit that can move or hold the optical switching unit to the second position using electric power can be provided. By providing the first drive generation unit and the second drive generation unit in addition to the elastic body, the optical switching unit can be stably held at the first and second positions. A highly functional optical switching element can be provided.
[0013]
By providing a driving electrode in the driving force generating unit, the optical switching unit can be moved by electrostatic force, and the driving force generating unit can obtain a sufficient driving force with high reliability with a simple configuration.
[0014]
Furthermore, a first drive electrode that moves together with the optical switching unit and a second drive electrode installed on the substrate are provided, and a first space in which the distance between the first and second drive electrodes is further reduced. And a spacer that forms a second space in which the distance between the substrate and the optical switching unit is increased so that the spring member can be accommodated, such as a T-shaped or inverted trapezoidal section when the drive unit is viewed from below It is desirable to provide a spacer. In the driving unit, by applying a voltage to the driving electrode in the narrow first space, the optical switching unit can be turned on and off via the spacer, so that the driving voltage can be lowered and high-speed operation can be achieved. It becomes possible. On the other hand, since the spring member, which is an elastic body, can be accommodated in the wide second space, the effective length can be increased, and the force for pressing the optical switching unit can be adjusted. Therefore, even if the driving force by the driving electrode is small, it can be adjusted so as to obtain an elastic force capable of reliably performing the on / off operation. Also, by adopting a T-shaped or inverted trapezoidal spacer, the effective length of the spring member can be secured without dividing the area of the optical switching portion, so that the aperture ratio through which light is emitted is high and the image display device is configured. Thus, it is possible to provide a seamless optical switching element in which adjacent optical switching elements are almost connected to each other.
[0015]
As a spring member that exhibits a function as an elastic body of the drive unit, an arbitrary shape such as a coil spring can be used. However, the spring member employs a plate-like spring in which one end is supported by the support portion in the vicinity of the boundary of the optical switching unit (element) and the other end is connected to the optical switching unit. Positioning can be performed. At this time, by adopting a plate-like spring in which a slit or a hole is formed in the vicinity of the boundary, the spring member can prevent the influence on the adjacent optical switching unit, and the elastic coefficient of the spring member can be changed to the optical switching unit. Can be set to an appropriate value for driving. For example, such a plate-like spring is a narrow spring member having one end connected to a support provided near the boundary and extending radially from the optical switching unit. With respect to such a spring member, the electrode area can be increased by making the first driving electrode radially extend from the optical switching portion, so that a high driving force can be obtained at a low voltage, and the driving voltage can be reduced. Can be lowered. Further, since the spring member is a plate-like spring having a spiral portion extending along the boundary, the effective length of the spring can be increased without increasing the area, so that the optical switching unit is driven. The voltage can be lowered and the power consumption can be reduced. Furthermore, a double helix structure can also be used. In addition, it is possible to obtain the same effect as increasing the effective length of the spring by reducing the elastic coefficient by making the bent portion of the spring (intermediate portion of both fulcrums) thinner than the other portions. Such support portions of the leaf springs are regularly arranged in the vicinity of the boundary, and can be configured to be shared with adjacent switching elements when an image display device is configured using a plurality of optical switching elements. The support portion may be a projection that extends long along the boundary between the optical switching elements, but the space occupied by the support portion is reduced by adopting struts that exist intermittently along the boundary. And that space can be used as an electrode or other space. In addition, the support columns can be randomly arranged, but by arranging them according to a predetermined rule, it is possible to provide an optical switching element and an image display device that can be easily assembled by symmetry and have stable performance.
[0016]
As the spring member, a conductive thin film member such as a boron-doped silicon thin film can be employed, and a structure that also serves as a driving electrode can be employed. Therefore, the region facing the second driving electrode on the substrate side can function as the first driving electrode, and the other portion can function as the spring member.
[0017]
On the other hand, an auxiliary support portion is provided between the light guide portion and the spring member, and further, a plate-like spring that can substantially seal the optical switching portion side without providing the above-mentioned slit or hole in the spring member. Thus, the optical switching unit side can be set to a negative pressure from the driving unit side. Accordingly, the spring member is pressed against the auxiliary support portion by the external air pressure, and the gap with the optical switching portion can be kept uniform. In addition, the optical switching unit is in close contact with the light guide unit when turned on due to the pressure difference. Therefore, a stable operation is performed and an optical switching element with high contrast can be provided.
[0018]
In addition, the space having the drive unit and the optical switching unit, that is, the space inside the optical switching element is sealed, and the internal pressure is lowered, or a gas such as an inert gas is replaced with air. If the pressure of the gas is lowered, the flow resistance of the gas during the switching operation can be lowered, so that friction such as a damper effect due to the gas does not occur, the driving voltage is lowered, the driving speed is increased, and the on / off switching is performed at high speed. it can. Therefore, it is possible to provide an optical switching element capable of high-speed response.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a schematic configuration of an image display device 2 using a plurality of optical switching elements 1 of the present invention. The switching element 1 of this example includes a light guide 20 that serves as a light guide having high light transmittance, such as glass or transparent plastic. The light guide 20 is formed with a total reflection surface 22 having an appropriate angle with respect to the incident angle of the incident light 10 so that the incident light 10 is transmitted by total reflection.
[0020]
The switching element 1 of this example includes a layer of an optical switching unit 30 that extracts light from the light guide unit 20 and reflects it upward below the light guide unit 20 (total reflection surface 22 side). The layer of the drive unit 40 that moves the drive unit 30 and the layer of the silicon substrate 70 on which the drive IC that controls the drive unit 40 is configured are sequentially stacked, and each functional part has a hierarchical structure.
[0021]
The optical switching unit 30 includes a microprism 34 that has a flat extraction surface 32 on the side of the total reflection surface 22 of the light guide unit that can be substantially in close contact with the total reflection surface 22 as an emitter. The microprism 34 of this example is a triangular prism having the extraction surface 32 as a bottom surface, and reflects light extracted from the total reflection surface 22 in a direction substantially perpendicular to the total reflection surface 22 to guide the light guide 20. The light can be emitted from the projection surface 21 opposite to the total reflection surface 22.
[0022]
In order to drive the optical switching unit 30, the driving unit 40 provided in the lower layer of the optical switching unit 30 includes a spacer 42 having a substantially T-shaped cross section for supporting the microprism 34, and the spacer 42. A plate-like spring member 50 that is an elastic body capable of pressing the light extraction unit 32 toward the light guide unit 20 at a first position where the extraction surface 32 of the light switching unit 30 is in contact with the total reflection surface 22 of the light guide unit 20; Is used to move the extraction surface 32 to a second position away from the total reflection surface 22 (first power generation unit). Therefore, in the optical switching element 1 of the present example, when power is not supplied to the drive unit 20, the extraction surface 32 approaches the first reflection surface 22 by the spring member 50 (first position), and the light guide unit 20 Light is extracted and emitted from the projection surface 21 (ON state). On the other hand, when electric power is supplied to the drive unit 20, the electrodes 60 and 62 are separated (second position), so that light is not extracted and emitted from the light guide unit 20 (off state).
[0023]
Further, in the image display device 2 of this example, the optical switching element 1 having such a configuration is two-dimensionally arranged in a direction perpendicular to the paper surface as in the horizontal direction of FIG. Can display an image as one pixel.
[0024]
The image display device 2 is formed on the surface of a silicon substrate 70 on which a circuit for controlling the drive unit 40 is configured, and the image display device 2 integrated with the image driving IC 70 is realized. .
[0025]
FIG. 2 shows the optical switching element 1 in an enlarged manner with the optical switching unit 30 as the center. The left optical switching element 1a shown in the figure shows an on state, and the right optical switching element 1b shows an off state. The optical switching element 1 of this example is an element that captures an evanescent wave leaking from the total reflection surface 22 of the light guide 20 by the extraction surface 32 and can use it for image formation and the like.
[0026]
FIG. 3 shows some examples of evanescent wave transmittance. When the transparent body is brought close to the totally reflected surface, the evanescent wave leaks out to the transparent body side, and light is transmitted. The transmittance of the evanescent wave varies depending on the refractive index of the medium, the incident angle, and the like. As shown in FIG. 3, the transmittance (%) of the evanescent wave when the incident angle is 50 ° with respect to light having a wavelength λ of 500 nm. Is a transmission curve 14 measured with respect to the distance (μm) between the total reflection surface 22 and the extraction surface (transparent body) 32. Similarly, a characteristic curve 15 at an incident angle of 60 °, a characteristic curve 16 at an incident angle of 70 °, and a characteristic curve 17 at an incident angle of 80 ° are also shown. These characteristic curves show almost the same tendency. When the extraction surface 32 approaches 0.1 to 0.05 μm or less from the total reflection surface 22 (first position), the transmittance becomes about 50%. . On the other hand, when the extraction surface 32 is separated from the total reflection surface 22 by 0.2 μm or more (second position), the transmittance becomes 10% or less. Further, when the distance of the extraction surface 32 exceeds 0.3 μm, the transmittance is It becomes almost 0%. Therefore, in the ON state indicated by the optical switching element 1a in FIG. 2 and the OFF state indicated by the optical switching element 1b, it is only necessary to move the optical switching unit 32 by about 0.2 to 0.3 μm. For this reason, by using the optical switching element 1 of this example, pixels can be controlled at high speed, and an image with high contrast can be obtained. Further, since the moving distance of the optical switching unit 32 can be shortened, the distance between the drive electrodes 60 and 62 is also shortened. Therefore, the drive voltage for generating an electrostatic force by these electrodes may be small, and the image display apparatus 2 with low power consumption can be provided.
[0027]
Based on FIG. 2, the structure of the optical switching element 1 of this example is demonstrated in more detail. In the optical switching element 1 of this example, as shown in the optical switching element 1 a, the spacer 42 is pushed up by the spring member 50 provided in the driving unit 40, and the extraction surface 32 of the optical switching unit 30 is in relation to the total reflection surface 22. The evanescent wave can be captured by being in close contact with each other as described above. The captured evanescent wave 10 is reflected by the reflecting surface 34a of the prism 34, which is an emitting body, and is emitted from the light guide 20 to the outside. On the other hand, as shown in the optical switching element 1b, the prism 34 moves downward against the spring 50 due to the electrostatic force of the electrodes 60 and 62, and the interval as described above is opened between the extraction surface 32 and the total reflection surface 22. Then, the evanescent wave cannot be captured by the prism 34.
[0028]
The spacer 42 of this example that supports the prism 34 has a substantially T-shaped cross section, and the center is a first space 45 in which the gap between the surface 71 of the substrate 70 and the lower surface 42a of the spacer 42 is narrowed. Both sides are second spaces 46 in which a gap between the surface 71 of the substrate and the lower surface 42b of the spacer 42 is widened. Electrodes 62 and 60 are provided on the lower surface 42a of the spacer 42 and the surface 71 of the substrate so as to sandwich the first space 45 having a narrow gap. On the other hand, a spring member 50 is provided in the second space 46 having a large interval, and the spring member 50 connects the support column 44 provided at the boundary of the switching element 1 and the spacer 42, so that the optical switching unit 30. The position of the microprism 34 is determined. Further, as shown in the optical switching elements 1a and 1b, the plate-like spring member 50 can be deformed in the second space 46 formed by the T-shaped spacer 42, and the distance between the electrodes 60 and 62 ( The installation space for the spring member 50 can be secured without opening the first space. Therefore, since the drive voltage supplied to the electrodes 60 and 62 may be low, power consumption can be suppressed as described above.
[0029]
Further, by adopting the T-shaped spacer 42, the space 46 located in the layer of the drive unit 40 below the prism 34 can be used as the installation space for the spring member 50. Thus, by processing the spring member 50 that is a member of the drive unit 40 in the layer of the drive unit 40, the spring member 50 is interposed between the adjacent optical switching elements 1a and 1b in the layer of the optical switching unit 30. No space is required to install Therefore, the area of the prism 34 can be increased, the area ratio (aperture ratio) from which light can be extracted from the light guide unit 20 can be increased, and a bright optical switching element with a large amount of emitted light can be provided.
[0030]
Furthermore, in the optical switching element 1 of this example, the support 44 is provided in the layer of the drive unit 40 so that the drive unit 40 can support the optical switching unit 30, and the light guide unit 20 supports the prism 34. There is no need to form by etching or the like. Therefore, the total reflection surface 22 of the light guide 20 is a flat surface with respect to the plurality of optical switching elements 1, and a simple member can be adopted as the light guide 20. Since a space for installing the spring member 50 can also be provided in the drive unit 40, the optical switching unit 30 can be arranged with almost no gap between the optical switching elements 1a and 1b. Therefore, by using the optical switching element of this example, it is possible to provide an image display device 2 that can form a seamless or nearly seamless image in which the pixels are hardly opened, the boundary between the pixels is not known.
[0031]
Further, in the optical switching element 1 of the present example, as shown in the optical switching element 1a, the extraction surface 32 of the microprism 34 is moved by the force of the spring member 50 without using the electrostatic force in the ON state. The light is pressed against the reflecting surface 22. In the ON state, the spring member 50 is further given a slight displacement 51 so that the prism 34 can be pressed against the total reflection surface 22. The electrostatic force controlled using electric power is easy to control, but when the supply voltage varies, the force pressing the extraction surface 32 against the total reflection surface 22 changes. As shown in FIG. 3, when the voltage drops and the pressure is insufficient, and the gap between the extraction surface 32 and the total reflection surface 22 is about 0.1 to 0.15 μm, the transmission amount is about 20% or less, On-off contrast is reduced. On the other hand, the force obtained by the spring member 50 is mechanical and stable regardless of voltage fluctuation. Therefore, in the switching element 1 of this example, the stable force of the spring member 50 is used as the driving force for turning on, while the electrostatic force that is easy to control is used as the driving force for turning off. In addition to ensuring the amount of light, an optical switching element with high control capability can be provided.
[0032]
Furthermore, by providing the spring member 50 in the ON state with the displacement (deflection) 51, the extraction surface 32 can be pressed against the total reflection surface 22 with an appropriate force. Therefore, even if the distance between the light guide unit and the optical switching unit or the interval between the optical switching unit and the drive unit due to vibration, temperature change or other changes over time is changed, it is absorbed and the on / off contrast is reduced. Can be prevented. Further, in the switching element 1 of this example, since the wide space 46 is secured as the installation space of the spring member 50 by the T-shaped spacer 42 as described above, the spring member 50 can be displaced inside. Is possible. The degree of the bending 51 is preferably smaller than the off-state interval, that is, about 0.1 to 0.2 μm.
[0033]
Furthermore, the spring member 50 of this example is formed of a boron-doped silicon thin film 49 and is conductive. Accordingly, the thin film 49 can function as the spring member 50 in the wide space 46 region, and the thin film 49 can be fixed to the spacer 42 and function as the electrode 62 in the narrow space 45 region.
[0034]
It is important that the spring member 50 provided in the drive unit 40 has an appropriate elastic coefficient. If the elastic modulus is too high, a very strong force is required to move even at short intervals, and a large electrostatic force is required, so that the drive voltage becomes high. On the other hand, if the elastic coefficient is too low, the force for pressing the extraction surface 32 of the prism 34 against the total reflection surface 22 cannot be obtained. The size of the optical switching element 1 that is used in the image display device 2 and constitutes a pixel is from several tens of microns to several hundreds of microns. In such a micromachine, the effective length of the spring member 50 is increased to be elastic. It is important to keep the coefficient low. For this reason, in the optical switching element 1 of this example, the spring member 50 is arranged in the wide space 46 secured by using the T-shaped spacer 42 to increase the effective length and further reduce the spring member 50. The effective length is increased.
[0035]
FIG. 4 shows a state where the arrangement of the drive unit 40 of the optical switching element 1 of this example is viewed from the bottom surface (the substrate 70 side). The silicon thin film 49 forms a spring member 50 (shown by a vertical line for the sake of clarity) that extends radially from the four pillars 44 toward the bottom surface 42a of the spacer 42, A hole 52 is formed by largely cutting the periphery of the support pillar 44 that is the boundary of the. Further, the silicon thin film 49 remaining on the bottom surface 42a forms a substantially rectangular electrode 62 (shown by hatching for the sake of clarity). Thus, by forming the narrow plate-like spring member 50, the effective length can be increased and the drive voltage can be lowered. Further, in the image display device, since the connection portion between the adjacent optical switching elements becomes thin, it is possible to prevent the on / off state from affecting each other between the pixels constituted by the optical switching elements.
[0036]
FIG. 5 shows an example of a spring member 50 different from the above in this example. In this example, slits 53 are formed radially in the silicon thin film 49 so as to extend in the direction from the spacers 42 to the pillars 44 to form the elongated spring members 50, and the electrodes 62 attached to the bottom surface 42 a of the spacers 42 are radial. The electrode 62a is further widened to ensure a large electrode area. In this manner, by increasing the area of the electrode 62, it is possible to reduce the drive voltage applied to drive the optical switching unit 30.
[0037]
FIG. 6 shows an example of a spring member 50 further different from the above. FIG. 6A and FIG. 6B show a state in which four optical switching elements 1 among a plurality of optical switching elements 1 arranged two-dimensionally to constitute an image display device are arranged. A state seen from the side of the silicon substrate 70 is shown. In this example, a slit 53 is formed in the silicon thin film 49 in a direction along the boundary of each optical switching element 1, and a spring extending spirally around the spacer 42, that is, along the boundary of the optical switching element 1. The member 50 is configured. Thus, by extending the spring member 50 in the direction along the boundary, the effective length of the spring member 50 can be further increased. On the other hand, the bottom surface 42a of the spacer 42 is widened to increase the area of the electrode 62. Can be secured. Therefore, the driving voltage can be greatly reduced by these effects. FIG. 6B is an example in which the slit 53 is further lengthened so that a longer length can be secured until the spring member 50 reaches two sides along the boundary of the switching element 1. The effective length can be further increased, and the drive voltage can be lowered. Of course, the slit 53 can be further elongated to form the spring member 50 having a long effective length along the boundary.
[0038]
FIG. 7 shows still another example of the spring member. In this example, compared with the portion where the spring member 50 is in contact with the spacer 42 or the portion where the spring member 50 is connected to the support column 44, the thickness of the central portion 55 is reduced to reduce the elastic coefficient so that the drive voltage can be reduced. Yes. As described above, the elastic coefficient of the spring member 50 can be lowered by combining some examples shown above or a combination thereof. Therefore, the electrostatic force is applied to the electrodes 60 and 62 in order to move the optical switching unit 30. The drive voltage generated can be reduced. Therefore, it is possible to provide the optical switching element 1 that can be operated with low electricity consumption, and it is possible to suppress the entire power of the image display device 2.
[0039]
The optical switching element 1 of this example employs a structure in which the light guide unit 20, the optical switching unit 30, and the driving unit 40 are sequentially stacked, and the reflection type optical switching unit 30 is used, so that the emission direction is stacked. It is possible to provide an optical switching element having a configuration in which the light extracted from the driving unit 40 does not pass. Therefore, since the drive unit 40 can be designed without considering optical characteristics, the configuration for supporting and driving the optical switching unit 30 can be optimized to be realized by the drive unit 40 as described above. The configurations of the optical switching unit 30 and the light guide unit 20 can be greatly simplified. In addition, the light guide 20, the optical switching unit 30, and the drive unit 40 can be independently designed with a layer structure, and the light guide 20 can use a flat plate member with a flat total reflection surface 22. Further, the light switching unit 30 can use an emitting body 34 such as a prism having a wide extraction surface 32. Further, the drive unit 40 can employ a highly reliable mechanism that can stably perform the on / off operation at high speed. Therefore, according to the present invention, an optical switching element with a large amount of light and a small loss of light can be provided, and an optical switching element with high on-off contrast and good image quality can be provided.
[0040]
Furthermore, in the optical switching element 1 of this example, the drive unit 40 is manufactured on a silicon IC substrate on which a drive circuit or the like is configured, using a semiconductor manufacturing technique or micromachine manufacturing technique suitable for fine processing such as etching. It is easy to integrate a plurality of optical switching elements 1 at a high density. Therefore, by using the optical switching element of the present invention, it is possible to provide a thin and high-resolution image display device 2.
[0041]
FIG. 8 shows a projection device 6 using the image display device 2 according to the present invention. In the projection device 6 of this example, the IC chip 5 on which the optical switching unit 30 and the drive unit 40 are mounted together with the drive circuit is attached to the total reflection surface 22 of the light guide unit 2. The light guide unit 20 of the image display device 2 is provided with an incident surface 81 on one side, and three primary colors of light such as red, green, blue (RGB) or cyan, magenta, and yellow from the light source toward the surface. Is incident in a time division manner. The light source 80 of this example includes a white metal halide lamp 80a and a three-color division filter 80b that is rotated by a motor. Light beams that have been color-divided by the three-color division filter 80b are converted into parallel beams through a collimator lens 80c. Then, the light enters the light guide unit 20 from the incident surface 81. Then, the incident light 10 that has reached the total reflection surface 22 is reflected by the individual optical switching elements configured using the IC chip 5 and is emitted as the emitted light 12 that passes through the light guide 20, and is then projected onto the projection lens. A desired image is formed by projecting on a screen or the like through 85. On the other hand, the incident light 10 that has not been converted into outgoing light by the optical switching element reaches the reflecting surface 82 opposite to the incident surface 81 of the light guide unit 20 by total reflection, is reflected by this surface, and is again guided to the light guide unit. 20 is transmitted and reaches the optical switching element.
[0042]
As described above, the image display device 2 of the present example can project a color image by operating the optical switching element constituted by the IC chip 5 in time division and in synchronization with the incident light. Of course, it is also possible to project a color image using an optical switching element that employs white light as the incident light 10 and uses a wavelength selective light extraction unit.
[0043]
[Second Embodiment]
FIG. 9 shows an example of an optical switching element different from the above. The optical switching element 1 of this example also has a hierarchical structure in which the light guide unit 20, the reflection type optical switching unit 30, and the drive unit 40 are stacked in this order with respect to the direction of the emitted light 12. Portions common to the examples are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the optical switching element 1 of this example, as the driving unit 40 of the optical switching unit 30, in addition to the set of driving electrodes 60 and 62 (first driving unit), the optical switching unit 30 is newly set upward, that is, in the on state. A set of drive electrodes 64 and 66 to be pulled up (second drive unit) is provided. In this example, a substantially U-shaped notch 38 is formed in a symmetrical position on the side surface of the buffer member 35 that supports the prism 34 from the spacer 42, and an auxiliary column 47 extending from the column 44 is provided in the space 38. The second drive unit is formed by inserting and fixing new electrodes 64 and 66 to the space 48 and the auxiliary column 47, respectively. In the optical switching element 1 of the present example, in addition to the first set of electrodes 60 and 62 that control the off state using electric power, the on state of the electrodes 64 and 66 that can also control the on state using electric power (electrostatic force). A second set is provided. For this reason, since both on / off states can be controlled using electric power in addition to the driving force of the spring member 50, more stable driving control is possible, and the optical switching element 1 with higher reliability is provided. can do.
[0044]
[Third Embodiment]
FIG. 10 shows different examples of the optical switching element according to the present invention. In the optical switching element 1, the light guide unit 20, the optical switching unit 30, and the driving unit 40 are laminated on the base of the IC unit 70 in this order, and the same reference numerals are given to the parts common to the above-described embodiment. Therefore, the description is omitted. In the optical switching element 1 of this example, the thin film 49 that is installed so as to serve as the spring member 50 and the electrode 62 and connect the support column 44 and the spacer 42 is supported by the auxiliary column 48 with respect to the light guide unit 20. The distance between the extraction surface 32 and the total reflection surface 22 is kept substantially uniform between the optical switching elements 1. Further, no hole or slit is formed in the thin film 49, and the layer of the optical switching unit 30 can be sealed with the thin film 49 and the light guide unit 20. And the pressure of the optical switching part 30 is adjusted so that it may become a negative pressure with respect to external air. As a result, the thin film 49 is brought into close contact with the auxiliary column 48, and when the image display device 2 is configured by two-dimensionally arranging the plurality of optical switching elements 1, the distance between the thin film 49 and the total reflection surface 22, that is, the thin film 49 is attached. The gap between the extraction surface 32 of the optical switching unit 30 and the total reflection surface 22 of the light guide unit 20 can be kept substantially uniform. Therefore, a stable switching operation is performed in all the pixels of the image display device 2 configured by the plurality of optical switching elements 1, and a high contrast can be obtained in all the pixels. The auxiliary pillars 48 need not be provided in the switching elements constituting all the pixels, and may of course be arranged at appropriate intervals or randomly.
[0045]
Further, since the pressure is adjusted so that the optical switching unit 30 side has a negative pressure, the extraction surface 32 of the optical switching unit 30 is pressed against the total reflection surface 22 by the external air pressure. Therefore, in the optical switching element 1 of the present example, the extraction surface 32 can be brought into close contact with the total reflection surface 22 using the atmospheric pressure in addition to the force of the spring member 50, and high contrast can be obtained.
[0046]
Further, in the optical switching element 1 of this example, a spacer 42 positioned between the spring member 50 and the prism 34 has an inverted trapezoidal shape instead of the T shape. Thus, even if the inverted trapezoidal spacer 42 is used, it is possible to secure a wide space 46 in which the spring member 50 is disposed and a narrow space 45 in which the electrodes 60 and 62 are disposed.
[0047]
Furthermore, in addition to the optical switching unit 30, the driving unit 40 can be sealed, and the entire region surrounded by the light guide unit 20 and the silicon substrate 70 can be sealed to be a negative pressure. By reducing the pressure in this region, the gas flow resistance disappears when the prism 34, the spring member 50, etc. constituting the optical switching unit 30 and the drive unit 40 move for switching operation, and the resistance due to the damper effect or the like is greatly increased. To drop. Accordingly, it is possible to increase the driving speed during the on / off operation, and the driving force can be reduced. Therefore, it is possible to provide a switching element and an image display device that can operate at high speed and have low power consumption. Moreover, by replacing the sealed space with a gas that does not contain moisture, and by applying a negative pressure from the outside, in addition to the above effects, moisture that causes adsorption and the like can be removed, and an inert gas can be used. If present, alteration such as oxidation can be prevented.
[0048]
[Fourth Embodiment]
FIG. 11 shows another example of the optical switching element of the present invention. Also in the optical switching element 1 of this example, the light guide unit 20, the optical switching unit 30, and the drive unit 40 are laminated in this order on the substrate 70 of the IC unit, and the same parts are common to the above-described embodiment. The reference numerals are attached and the description is omitted. In the optical switching element 1 of this example, the optical switching unit 30 employs a reflection type emitting body 36 including a plurality of reflectors. Therefore, the evanescent light captured by the extraction surface 32 in the ON state is scattered at an appropriate angle by the light emitter 36 toward the light guide unit 20, and an image that can be viewed with a wide viewing angle can be formed.
[0049]
Further, in the optical switching element 1 of the present example, the electrostrictive force generated by the piezo element 69 is used as a drive unit for driving the switching unit 30 instead of the electrostatic force. The piezo element 69 of this example is a bimorph type in which two layers having different polarization directions are laminated. When power is applied, the piezo element 69 extends from a curved state to a linear state and pulls the spring member 50, thereby turning off the optical switching element 1. It is like that. On the other hand, when power is not applied, a curved elastic force is obtained, and the optical switching unit 30 is pressed toward the light guide unit 20 with an appropriate force together with the elastic force of the spring member 50, thereby realizing a high-contrast optical switching element. It can be done.
[0050]
In the optical switching element 1 according to the present invention, since the light guide unit 20, the optical switching unit 30, and the drive unit 40 have a hierarchical structure, the optical switching unit 30 according to each embodiment described above or The optical switching element 1 suitable for the application can be configured by freely combining the drive units 40. The optical switching element of the present invention is not limited to an image display device, and its application range such as a line light valve of an optical printer, an optical spatial modulator for a three-dimensional hologram memory, etc. is very wide, The optical switching element of the present invention is particularly suitable for fields and application devices in which the optical switching element using liquid crystal is of course used, as well as the field where the operation speed and light intensity are insufficient with the optical switching element using liquid crystal. Yes. Furthermore, since the optical switching element of the present invention can be finely processed, it can be made smaller and thinner than conventional liquid crystal optical switching elements, and can be highly integrated.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, the optical switching element of the present invention captures the evanescent light leaking from the total reflection surface by contacting the extraction surface with the light guide portion provided with the total reflection surface capable of totally reflecting and transmitting the light. An image can be formed. By laminating a light guide unit, a reflective light switching unit, and a drive unit in this order with respect to the emission direction, the extracted light is directed toward the light guide unit by the light switching unit. It is possible to provide a bright optical switching element that reflects substantially vertically and has no loss of light in the driving unit. Further, by adopting such a laminated structure, it is possible to optimize the layers of the light guide unit, the optical switching unit, and the drive unit, and to freely create layers having different functions or structures. Combinations are also possible. In particular, the optical switching unit is positioned by the drive unit, and the installation space for the spring member, which is an elastic body, is provided to make the light guide unit a flat member and increase the area of the extraction surface of the optical switching unit. be able to. Therefore, it is possible to provide a bright and high-contrast optical switching element having a large aperture ratio, and by using the optical switching element of the present invention, it is possible to provide an image display device capable of obtaining an image with good image quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical switching element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the optical switching element shown in FIG.
FIG. 3 is a graph showing the evanescent wave transmittance with respect to the distance between the total reflection surface and the extraction surface;
4 is a diagram illustrating a state in which the configuration of a spring member of the optical switching element illustrated in FIG. 1 is viewed from the direction of a substrate.
FIG. 5 is a view showing an example different from the spring member shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a view showing an example further different from the spring member shown in FIG. 4;
7 is a view showing an example further different from the spring member shown in FIG. 4;
8 is a diagram showing an example of a projection apparatus using the image display apparatus shown in FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switching element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing an optical switching element using a conventional liquid crystal.
[Explanation of symbols]
1. Optical switching element
2. Image display device
6. Projection device
10. Incident light
12. ・ Outgoing light
20. ・ Light guide
22. Total reflection surface
30..Optical switching part
32 .. Extraction surface
34 .. Emitter (prism)
36 .. Emitter (scatterer)
40 ... Driver
42. ・ Spacer
44 ...
45 .. Narrow space for drive electrodes (first space)
46 .. Wide space for spring member (second space)
47, 48 ... Auxiliary pillar
49 .. Silicon thin film
50 .. Spring member
51 .. Deflection of spring member
52 ... Hole
53..Slit
60, 62 .. Driving electrode (first set)
64, 66 .. Driving electrode (second set)
69 .. Piezo element
70 ・ ・ IC part
80 ... Light source
80a ・ ・ Metal Highland Lamp
80b ... 3 color division filter
81 .. Incident surface
82 ... Reflective surface
85 .. Photography lens
90 ... Atmospheric pressure
908 .. Polarizing plate
903..Glass plate
904, 905 ... Transparent electrode
906, 907 ... Liquid crystal

Claims (9)

光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、
前記全反射面に対しエバネセント光が漏出する抽出距離以下に接近する第1の位置、および前記抽出距離以上に離れる第2の位置に移動可能な透光性の抽出面を備え、抽出した光を前記導光部の方向に反射する光スイッチング部と、
この光スイッチング部を駆動する駆動部とを有し、
前記導光部、光スイッチング部および駆動部が光の出射方向に対しこの順番で積層され、
前記駆動部は、駆動力が印加されないときに前記光スイッチング部を前記第1の位置で前記導光部に向かって加圧可能な弾性体と、この弾性体の弾性力に対抗して前記光スイッチング部を前記第2の位置に電力を用いて移動可能な第1の駆動力発生部とを備え、
前記駆動力発生部は、前記光スイッチング部を静電気力で動かすための駆動用電極を備えていることを特徴とする光スイッチング素子。
A light guide unit having a total reflection surface capable of transmitting the light with total reflection;
A translucent extraction surface that is movable to a first position that is less than or equal to an extraction distance at which evanescent light leaks with respect to the total reflection surface, and a second position that is more than or equal to the extraction distance; An optical switching unit that reflects in the direction of the light guide;
A drive unit for driving the optical switching unit,
The light guide unit, the optical switching unit, and the drive unit are stacked in this order with respect to the light emission direction,
The driving unit includes an elastic body capable of pressing the optical switching unit toward the light guide unit at the first position when no driving force is applied, and the light against the elastic force of the elastic body. A first driving force generator capable of moving the switching unit to the second position using electric power,
The optical switching element, wherein the driving force generation unit includes a driving electrode for moving the optical switching unit with electrostatic force.
請求項1において、前記導光部、光スイッチング部および駆動部は、階層構造となっていることを特徴とする光スイッチング素子。  2. The optical switching element according to claim 1, wherein the light guide unit, the optical switching unit, and the drive unit have a hierarchical structure. 請求項1において、前記導光部は、前記光スイッチング部の側がフラットな平面となったパネル状の部材であることを特徴とする光スイッチング素子。  2. The optical switching element according to claim 1, wherein the light guide unit is a panel-like member having a flat surface on the optical switching unit side. 請求項1において、前記駆動部は、IC基板上に配置されていることを特徴とする光スイッチング素子。  2. The optical switching element according to claim 1, wherein the driving unit is disposed on an IC substrate. 請求項1において、前記光スイッチング部は、前記抽出面によって抽出された光を反射するマイクロプリズムまたは光散乱性の出射体を備えていることを特徴とする光スイッチング素子。  2. The optical switching element according to claim 1, wherein the optical switching unit includes a microprism or a light scattering emitting body that reflects light extracted by the extraction surface. 請求項1において、前記弾性体は、前記光スイッチング部が前記第1の位置になったときに撓んだ状態が残るように設定されたバネ部材であることを特徴とする光スイッチング素子。  2. The optical switching element according to claim 1, wherein the elastic body is a spring member that is set so that a bent state remains when the optical switching unit is in the first position. 請求項1において、前記光スイッチング部を前記第1の位置に電力を用いて移動あるいは保持可能な第2の駆動発生部を有することを特徴とする光スイッチング素子。  2. The optical switching element according to claim 1, further comprising a second drive generation unit capable of moving or holding the optical switching unit to the first position using electric power. 請求項6において、前記駆動力発生部は、前記光スイッチング部を静電気力で動かすために前記光スイッチング部と共に動く第1の駆動用電極と、基板に設置された第2の駆動用電極とを備えており、さらに、
前記駆動部は、前記第1および第2の駆動用電極の距離が狭くなる第1のスペースと、前記バネ部材が収納可能なように前記基板および光スイッチング部の距離が広くなる第2のスペースとを形成するスペーサを備えていることを特徴とする光スイッチング素子。
7. The driving force generator according to claim 6, wherein the driving force generator includes a first driving electrode that moves together with the optical switching unit to move the optical switching unit with electrostatic force, and a second driving electrode installed on the substrate. In addition,
The drive unit includes a first space in which a distance between the first and second drive electrodes is reduced, and a second space in which a distance between the substrate and the optical switching unit is increased so that the spring member can be accommodated. An optical switching element comprising a spacer for forming
請求項1に記載の光スイッチング素子を複数有し、これらの光スイッチング素子が2次元的に配置され、前記導光部は白色または3原色の光が伝達可能なように接続されていることを特徴とする画像表示装置。  It has two or more optical switching elements of Claim 1, these optical switching elements are arrange | positioned two-dimensionally, and the said light guide part is connected so that the light of white or three primary colors can be transmitted. A characteristic image display device.
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