JP3684893B2 - 光反射ユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像投影装置を構成する照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来の光反射ユニットについて説明する。
【０００３】
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、従来の光反射ユニットの一例の構成を示す説明図である。光反射ユニットは、基板１と、前記基板１上に設けられストライプ状に分割された導電性の可動膜１７及び固定膜１８より構成される。前記可動膜１７及び前記固定膜１８には光反射率を高めるために反射膜が蒸着されている。また、前記基板１の前記可動膜１７に相対する面には電極２が設けられており、前記可動膜１７との間に電圧を印加することによって、前記可動膜１７を変形させることができるようになっている。ここで前記変形量は、入射光の波長をλとすると、λ／４になっている。
【０００４】
さて、図１６（ａ）に示すように、前記可動膜１７及び前記固定膜１８には、最初に、反射しようとする光の波長をλとするとλ／２の高低差を設けてある。この状態では、前記可動膜１７及び前記固定膜１８の反射光の位相差はλであり、強度が減じられることはなく反射する。次に、図１６（ｂ）に示すように、前記可動膜１７と前記電極２との間に電圧を印加する。すると、前記のように前記可動膜１７はλ／４だけ変形し、反射面が移動する。その結果、前記可動膜１７及び前記固定膜１８の反射光の間にはλ／２の位相差が生じ、互いに打ち消し合って強度が大きく低下する。図１６に示す従来の光反射ユニットは、以上の様な構成によって光のスイッチング、乃至は強度変調を行っていた。
【０００５】
次に、従来の照明装置について説明する。
【０００６】
図１７は、従来のプロジェクタに用いられていた照明装置の一例の構成を示す説明図である。照明装置は、白色光を発生するランプ１０と、前記ランプ１０の光を効率よく一方向に導くリフレクタ１１と、前記白色光源の出射光を集光する集光レンズ１９と、前記集光された光のうち照明に適した部分の光を取り出す絞り２０と、前記絞り２０を通過した白色光から、赤、緑、青のそれぞれの波長域の光のいずれかを透過させ、時分割的に選択して目的の波長域の照明光を取り出す回転式カラーフィルタ２１と、前記回転式カラーフィルタ２１を回転するモーター２２と、前記回転式カラーフィルタの透過光を光変調素子等に導くコンデンサレンズ２３より構成されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
まず、従来の光反射ユニットでは、反射光に位相差を生じせしめることにより干渉させ、強度を変化させていたため、レーザ光源のような単色の光源を用いる場合は光スイッチングあるいは光の強度変調を容易に行うことが可能であったが、白色光あるいは広い幅の波長帯域をもった光に対して、十分なコントラストをもって反射光の強度を変化させることは難しかった。また、前記固定膜１８及び前記可動膜１７の位置精度が変調のコントラストに大きく影響することから、製造上の寸法精度の要求も厳しい。さらに、コントラスト向上の為にはスイッチングＯＦＦの際に不要光が進む方向である回折角を大きくしなければならないが、回折角を大きくするには前記固定膜１８及び前記可動膜１７のピッチを狭くしなくてはならず、可視光域では数μ以下となってしまい、製作が不可能になる可能性があった。
【０００８】
また、画像投影装置において小型軽量化の要求が年々高まる一方で、従来の照明装置ではフィルタを回転するメカニカルな機構を搭載しなければならなかったため、装置の大型化、振動、騒音、発熱、コスト高等が避け難い問題になっていた。さらに近年、所謂カラーブレークアップ等の問題から色周波数の高速化が求められている一方で、従来のようなカラーフィルタを回転する方式では、モーターの回転数や寿命等の点で限界に達しつつあった。また、前記方式ではカラーフィルタの境界線が絞りを通過する時間は、前記境界線の前後の色の光が両方透過してしまい混色を生ずる混色期間となり、時間軸上で照明光の利用ができない無効な時間となる。この無効時間は、３分割のカラーフィルタでも一般に１０％程度にのぼり、回転式カラーフィルタを用いる限り必然的に１０％程度の光量を無駄にしてしまうという課題を有していた。他に、振動、騒音、発熱の問題から前記モーターの回転数を上げずに色周波数を高くするために、前記カラーフィルタの分割数を増やす方法があるが、そうするとさらに境界線の数が増え時間軸上の無効成分が増えてしまうという課題を有していた。
【０００９】
そこで、本発明では、 前記の諸問題を解決した光反射ユニット、照明装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光反射ユニットは、
（１）複数の凹凸が形成された基板と、
前記基板を覆うように前記基板の表面に設けられた光反射性の薄膜とを有し、前記薄膜が略平面である第1の状態と、
前記基板及び前記薄膜の間の静電力によって前記凹凸に従って前記薄膜が変形し、前記第1の状態に対して斜めの面を生じる第2の状態とを有することを特徴とする。
【００１１】
（２）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸の凹部は略４角錐状であることを特徴とする。
【００１２】
（３）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸の凸部は略４角錐状であることを特徴とする。
【００１３】
（４）第２項または第３項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は型により形成されることを特徴とする。
【００１４】
（５）第２項または第３項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は異方性エッチングにより形成されることを特徴とする。
【００１５】
（６）第２項または第３項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は複数回の等方性エッチングにより階段状に形成されることを特徴とする。
【００１６】
（７）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記薄膜３の前記基板の凹凸の凸部上に位置する部分は、光学的にマスキングされていることを特徴とする。
【００１７】
（８）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸はストライプ状であることを特徴とする。
【００１８】
（９）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は柱状であることを特徴とする。
【００１９】
（１０）本発明の照明装置は、
白色光源と、
波長域に応じて選択的に入射光を透過あるいは反射する波長選択手段と、
前記波長選択手段により選択された光の強度を、制御信号に応じて強度を加減して反射する請求項１記載の光反射ユニットと、
前記光反射ユニットから出射される各波長域の光を再合成する光合成手段とを有し、
前記光反射ユニットを制御して、前記白色光源の出射光から選択的に目的の波長域の光線を取り出すことにより照明を行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下に本発明の実施例を示し、図を用いて説明する。
【００２１】
まず、本光反射ユニットの構造の概要について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例である光反射ユニットの構成を示す説明図である。前記光反射ユニットは、複数の凹部と凸部が形成されたガラス等の基板１、図示されていないが前記基板１の凹部に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられた導電性の薄膜３より構成される。ここで、図は概念図であり作図の都合上凹凸の数が数個しか描かれていないが、実際は用途に応じて凹凸の数や間隔、深さ等が決定され、一般にはさらに多数の凹凸が形成される。図のように、本光反射ユニットは、凹凸のある前記基板１を、平面の蓋をするように前記薄膜３で覆ったような構造となっている。また前記基板１の凹部と前記薄膜３とに囲まれた中空な空間を有する。
【００２３】
前記薄膜３は、シリコンをエッチングして薄膜化したものの片面に、光反射率を向上するためにＣｒ膜及びＡｕ膜を積層したものである。シリコン以外に、高分子膜等の導電性でない素材に、別途電極２及び反射膜をつけたものでもよい。尚、本文中では前記反射膜が積層されている面を反射面と呼ぶことにする。
【００２４】
次に前記基板１の形状について詳しく説明する。
【００２５】
図２は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図である。図に示したように、前記基板１の表面には、４角錘状の凹部が多数形成されている。一方、凸部は格子状の陵線となっており、ここで前記薄膜３と接している。尚、この部分においては接合されていてもされていなくても構わない。一方周辺部には平坦部を有しており、この部分において、前記薄膜３と陽極接合等により強固に接合されている。よって、この状態では、前記薄膜３は自分自身の張力によって平面を保っている。
【００２６】
尚、図１の説明でも触れた通り、前記基板１の前記凹部には前記電極２が取り付けられている。前記電極２は、たとえばＩＴＯを蒸着することによって形成される。あるいは、前記基板１を絶縁体（ガラス等）−導電体（ＡｕＣｒ）−絶縁体（２酸化シリコン等）の３層構造にして、前記凹部に一面にＡｕＣｒ電極２が存在する構成にしてもよい。前記電極２は、前記薄膜３との間に電圧を印加し、前記薄膜３を変形させるのに用いられる。
【００２７】
次に、本発明の光反射ユニットの作用について説明する。
【００２８】
図３及び図４は、本発明の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。図１と同様に、光反射ユニットは基板１、電極２、薄膜３より構成される。尚、図１及び図２同様、前記電極２は前記基板１の凹部に取り付けられているが、作図の都合上図示されていない。また、以下の説明のため、後続する光学系の入射瞳４、入射光線５、反射光線６を図中に加えてある。
【００２９】
さて、図３に示したように、始め前記薄膜３及び前記基板１の電極２が同電位であったとすると、前記薄膜３は自身の張力によって略平面となっている。これを第1の状態とする。この状態で略平行な光が入射すると、前記光反射ユニットは平面ミラーとして作用し、入射光を正反射する。よって前記入射瞳４には反射光が入射する。
【００３０】
次に、図４に示したように、前記電極２及び前記薄膜３の間に電圧を印加する。すると、両者間に静電力が働き、前記薄膜３は前記電極２に吸い寄せられるように変形する。前記基板１には凹凸が形成されているため、その形に従って前記薄膜３は変形する。これを第２の状態とする。前記光反射ユニットの反射面には、微小な斜めの面が多数形成される。本光反射ユニットに入射した光が略平行であったとすると、入射光は図に示したように幾何光学的に前記第１の状態とは異なる方向に反射され、前記入射瞳４には入射しない。尚このときの反射の角度は前記基板１の凹部の角度の設計で決まる。
【００３１】
印加した電圧を解除すると、静電力は働かなくなり、前記薄膜３は自身の張力によって略平面の復元する。よって再び第1の状態に戻り、前記光反射ユニットは平面ミラーとなり、入射光は正反射して前記入射瞳４に入射する。
【００３２】
以上のように、本光反射ユニットは、電圧の印加如何により光路を２状態に変更し、光の進路を切り換えることができるため、光スイッチング素子として機能する。また本光反射ユニットは光の干渉を利用するものではないため、白色光に対しても大きなスイッチング効果を得ることができる。さらに、前記薄膜３は軽量で変形量も小さいため、スイッチングの速度は一般に高速で、膜の厚さ、密度、印加電圧、変形量等にもよるが数十ｎｓでの切り換えも可能である。また、本光反射ユニットは、ＩCプロセスを用いて容易に量産可能であるので、デバイス単価も非常に安くすることができる。
【００３３】
尚、前記第２の状態では、前記薄膜３は前記電極２に吸い寄せられ接触する。その際、吸着が起こり、第1の状態に復元しない場合がありうる。そこで、この接触面に吸着防止対策を行ってもよい。たとえば接触する面のいずれか片方または両方に、チッ化シリコン、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣ）等の層を設けてもよい。他に、吸着の主な原因となる水分を除去するために、乾燥雰囲気中で製造する、あるいは薬品による撥水処理を行うなどの方法を用いることができる。以上のような吸着防止対策を行うことにより、光反射ユニットの繰り返し耐久性を向上させ、長寿命化することができる。
【００３４】
また本実施例では、前記基板１の凸部は４角錘状としており、この場合前記第２の状態において散乱光は４方向に散乱されるが、その方向と角度は凸部の形状によるのはいうまでもない。よって、前記凹部の深さ、斜面の角度、形状等は周辺の光学系の条件に適するように決定され、前記薄膜３の変形時に斜めの面を生ずる形状でありさえすれば、他の形状とすることもできる。
【００３５】
また、当然ながら前記基板１はガラス以外の材料であってもよく、また前記凹凸も、型を用いて形成してもよいし、切削加工によってもよい。あるいは、エッチングにより形成してもよい。前記基板１がシリコン等の場合、異方性エッチングを用いれば、特定の角度の斜面を簡単に得ることができる。
【００３６】
また、等方性エッチングを繰り返し用いて斜面を形成してもよい。即ち、平面のエッチングを徐々に削る領域を狭くしながら繰り返すことによって、階段状の斜面を形成することができる。この場合、膜厚を最適にすれば、膜の剛性により斜面の階段形状は緩和され、他の方法同様均一な斜面を得ることができる。また、前記薄膜３と前記基板１は階段の頂点で接触するのみであるから、前述の吸着の問題も緩和することができる。
【００３７】
また、前記状態２における前記薄膜３の凹凸形状を実現する前記基板１の形状は色々なものが考えられ、例えば凸部が柱状、即ち断面が矩形波状のものであってもよい。その場合、やはり膜厚あるいは前記電極２の形状を最適にすれば、膜の剛性により本実施例で示したのと同様の変形形状を得ることができる。この場合、前記基板１は１回の等方性エッチングで容易に製造することができる。
【００３８】
（実施例２）
図５は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図であって、前記基板１の形状の異なる例を示している。実施例１において、前記基板１の凹凸の形状は、凹部が４角錘状となる形状としていたが、図に示したように、凸部の方が４角錘状となる形状としてもよい。
【００３９】
図に示したように、前記基板１の表面には、４角錘状の凸部が多数形成されている。凸部の頂点は前記薄膜３と接しており、前記薄膜３が電圧非印加時に平面となるように支えている。尚、この部分において前記基板１及び前記薄膜３は接合されていてもされていなくても構わない。一方実施例１同様、周辺部には平坦部を有しており、この部分において、前記薄膜３と陽極接合等により強固に接合されている。
【００４０】
実施例１に対して前記基板１の形状は異なるが、電圧非印加時、即ち第１の状態では、前記実施例１の図３と同様に前記薄膜３は略平面となり、入射光を正反射する。よって前記入射瞳４には反射光が入射する。また、電圧印加時、、即ち第２の状態では、図４と同様に前記薄膜３は変形し、入射光は図に示したように幾何光学的に前記第１の状態とは異なる方向に反射され、前記入射瞳４には入射しない。よって光スイッチング素子として機能する。
【００４１】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４２】
（実施例３）
図６は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。
【００４３】
実施例１において、第２の状態における前記基板１の反射面の凹凸の形状の断面は三角波状となる形状としていたが、鋸波状となる形状としてもよい。すなわち、前記基板１の凹凸形状の１つ１つの４角錐を偏りのある４角錐としてもよい。図６は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図であり、本実施例の第２の状態における光反射の状態を示す説明図である。図のように、凹凸の形状を鋸波状とすれば、特定の方向に多くの光を反射することができる。これは周囲の光学系の設計によっては迷光の低減などの効果をもたらす。
【００４４】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４５】
（実施例４）
図７は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。
【００４６】
実施例１において、第２の状態における前記基板１の反射面の凹凸の形状の断面は三角波状となる形状としていたが、台形状となる形状とし、凸部の頂点において前記薄膜３と接合してもよい。図７は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図であり、本実施例の第２の状態における光反射の状態を示す説明図である。図のように、凹凸の形状を台形状とすれば、前記基板１の周辺部には平坦部を有しているため、前記基板１及び前記薄膜３のより強固な接合を得ることができる。尚、前記平坦部の面積を１０％以下にすれば、強固な接合を維持しながら、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分も小さく抑えることができる。
【００４７】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４８】
（実施例５）
図８は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。
【００４９】
実施例４において、第２の状態における前記基板１の反射面の凹凸の形状の断面は台形状状となる形状としていたが、前記基板１の凹凸の頂点の平坦部に位置する前記反射面にブラック・マスク７を施し、正反射成分を除去してコントラストを向上してもよい。図８は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図であり、本実施例の第２の状態における光反射の状態を示す説明図である。図のように、ブラック・マスク７を施せば、前記凸部の頂点に位置する部分では光は吸収され反射は起きず、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分をカットすることができる。よって強固な接合を維持しながら、コントラストの高い光スイッチング素子を実現することができる。
【００５０】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５１】
（実施例６）
図９は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの構成を説明するための説明図であって、前記光反射ユニットの基板１の形状を示す。
【００５２】
実施例１において、前記基板１及び前記薄膜３に囲まれる領域は中空であり、空気等が存在する。そこで、前記第２の状態において圧縮された空気を逃がし、抵抗となるのを防いで、前記第２の状態がうまく実現されるような構成にしてもよい。即ち図に示した様に、前記空気の抵抗の緩衝のため、前記基板１にダンパ室８を設けてもよい。本実施例では、内部の空気等の弾性による抵抗の影響を緩和し、確実に前記第２の状態を実現することができる。またそれにより駆動電圧を下げることができる。
【００５３】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５４】
（実施例７）
図１０は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの構成を説明するための説明図であって、前記光反射ユニットの基板１の形状を示す。
【００５５】
実施例１において、前記基板１の凹凸の形状は、凸部が４角錘状となる形状としていたが、図に示したようにストライプ状となる形状としてもよい。実施例１では、反射光は４方向に反射されていたが、図のように、凹凸の形状をストライプ状とすれば、反射方向は２方向となる。よって光学系の構成によっては、不要反射光の処理を簡単にすることができる。
【００５６】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５７】
（実施例８）
実施例７において、さらに各ストライプにおいて前記薄膜３を切り離した構成としてもよい。
【００５８】
図１１は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図であって、状態２における前記薄膜３の変形の様子を表している。図に示したように、前記薄膜３は、各ストライプのおいて切り離されている。各ストライプを切り離せば、空気の弾性の影響を回避できるほか、前記薄膜３の張力による弾性を軽減することができるので、大きな変形陵が必要な場合も小さな駆動力で変形を得ることができる。即ち、駆動電圧の低電圧化等の効果がある。
【００５９】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００６０】
（実施例９）
以下に本発明の実施例を示し、図を用いて説明する。
【００６１】
まず、本実施例における光反射ユニットの構造について説明する。
【００６２】
図１２及び図１３は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの構成を示す説明図であって、前記光反射ユニットの基板１の形状を示している。
【００６３】
前記光反射ユニットは、複数の凹部と凸部を有する第1の領域２４と、直方体状に掘り込まれた第2の領域２５が形成された基板１、前記基板１の第2の領域に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられ、本光反射ユニットの反射面を形成している薄膜３、前記第1の領域２４と第2の領域２５と、前記薄膜３によって囲まれた空洞を連結する連結部２７、前記空洞に充填され、各領域を自由に移動することができる流体９より構成される。
【００６４】
図のとおり、前記基板１の第1の領域には、４角錘状の凹部が多数形成されている。尚、図は概念図であり作図の都合上凹凸の数が数個しか描かれていないが、実際は用途に応じて凹凸の数や間隔、深さ等が決定され、一般にはさらに多数の凹凸が形成される。また、 前記第1の領域２４は、前記第2の領域２５と連結されている。前記第2の領域は前記薄膜３とともにポンプ室を形成している。前記薄膜３は、シリコンをエッチングして薄膜化したものの片面に、光反射率を向上するためにＣｒ膜及びＡｕ膜を積層して作られる。よって導電性であり、静電力を働かせる際の電極２を兼ねている。尚、前記薄膜３は高分子膜等の導電性でない素材に、別途電極２をつけたものでもよい。前記基板１と前記薄膜３は、前記第1の領域を含む前記基板１の全域の接する部分において、陽極接合等により強固に接合されている。
【００６５】
また前記電極２は、たとえばＩＴＯを蒸着することによって形成される。あるいは、前記基板１を絶縁体（ガラス等）−導電体（ＡｕＣｒ）−絶縁体（２酸化シリコン等）の３層構造にして、前記凹部に一面にＡｕＣｒ電極２９が存在する構成にしてもよい。
【００６６】
次に、本実施例における光反射ユニットの作用について説明する。
【００６７】
図１３及び図１４は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図であって、図１３は第１の状態における前記薄膜３の様子と光線の進路を、図１４は第2の状態における前記薄膜３の変形の様子と光線の進路を表している。 前記光反射ユニットは、複数の凹部と凸部を有する第1の領域２４と、直方体状に掘り込まれた第2の領域２５が形成された基板１、前記基板１の第2の領域に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられ、本光反射ユニットの反射面を形成している薄膜３、前記第1の領域２４と第2の領域２５と、前記薄膜３によって囲まれた空洞に充填され、各領域を自由に移動することができる流体９より構成される。また、以下の説明のため、本光反射ユニットの反射光を捕らえる後続する光学系の入射瞳４、入射光線５、反射光線６を図中に加えてある。
【００６８】
さて、図１３に示したように、始め前記薄膜３及び前記基板１の電極２が同電位であったとすると、前記薄膜３は自身の張力によって全体が略平面となっている。これを第1の状態とする。この状態で略平行な光が入射すると、前記光反射ユニットは平面ミラーとして作用し、入射光を正反射する。このとき前記入射瞳４に反射光が入射するような位置に前記入射瞳４を設置する。
【００６９】
次に、前記電極２及び前記薄膜３の間に電圧を印加する。すると、図１４に示したように前記ポンプ室において両者間に静電力が働き、前記薄膜３は前記電極２に吸い寄せられるように変形する。前記基板１及び前記薄膜３に囲まれた空洞には流体が充填されているため、前記ポンプ室の容積が減少すると、それ以外の部分においては前記薄膜３は押し上げられる。言い換えると、前記第２の領域２５の容積が減少し、それに相当する分前記第１の領域２４の容積が増大する。前記第１の領域では、前記基板１に形成された凹凸の前記薄膜３と接する部分は接合さているため、前記薄膜３はでこぼこに変形する。これを第２の状態とする。このとき、本光反射ユニットに略平行な光線が入射したとすると、入射光は図に示したように幾何光学的に第１の状態とは違った方向に反射され、前記入射瞳４には入射しない。
【００７０】
よって以上のように、本光反射ユニットは、電圧の印加如何により平面ミラーである第１の状態と第２の状態を切り換えることができるため、光スイッチング素子として用いることができる。本実施例では、アクチュエータ部が単純な構造になるためより信頼性の高い光反射ユニットを構成することができる。また、光変調にかかわる前記第1の領域における部分的な吸着も起こりにくく、均一な前記薄膜３の変形を得ることができる。
【００７１】
（実施例１０）
以下に本発明の実施例を示し、図を用いて説明する。
【００７２】
図１５は、本発明の一実施例である照明装置の構成を示す説明図である。まず本発明の照明装置の構成について説明する。
【００７３】
照明装置は、ランプ１０と、リフレクタ１１と、一定の波長域の光を選択的に透過あるいは反射する波長選択手段であるダイクロイックミラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄと、前記波長選択手段により分離された各波長域の光を制御信号に応じて反射方向を変えて反射する光反射ユニット１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ、制御手段２６より構成される。また、前記光反射ユニットは、図１及び図２で示したように、複数の凹部と凸部が形成された基板１、図示していないが前記基板１の凹部に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられ、本光反射ユニット１３の反射面を形成している薄膜３より構成される。
【００７４】
次に本発明の照明装置の作用について説明する。前記ランプ１０から発せられた白色光は、前記リフレクタ１１により１方向に効率よく出射される。前記白色光は前記ダイクロイックミラー１２ａに入射すると、まず青色の成分が反射されて９０°方向を変え、前記光反射ユニット１４ａに入射する。さらに、前記光反射ユニット１４ａでＯＮ／ＯＦＦを制御された後、前記ダイクロイックミラー１２ｄに到達し、再度方向を９０°変えて出力される。また、緑色及び赤色の成分は、前記ダイクロイックミラー１２ａを透過し、前記ダイクロイックミラー１２ｂに到達する。ここで緑色の成分は反射されて９０°方向を変え、前記光反射ユニット１４ｂに入射する。さらに、前記光反射ユニット１４ｂでＯＮ／ＯＦＦを制御された後、前記ダイクロイックミラー１２ｃに到達し、再度方向を９０°変え、前記ダイクロイックミラー１２ｄを透過して出力される。赤色の成分は、前記ダイクロイックミラー１２ｂをも透過し、前記光反射ユニット１４ｃに入射する。さらに、ここでＯＮ／ＯＦＦを制御された後、前記ダイクロイックミラー１２ｃ、１２ｄを透過して出力される。
【００７５】
本照明装置は、前記光反射ユニット１３を制御することにより、高速で前記白色光源から出射される光から赤、緑、青の出力光を選択したり、あるいは任意の割合で合成して、任意の時間任意の波長域による照明を行い得る。また前記光反射ユニットの前記薄膜３は軽量で変形量も小さいため、選択に要する時間はごくわずかである。そのため、色順次方式のプロジェクタ等の光源に用いた場合、混色時間を非常に短くでき、色周波数を上げた場合でも、時間軸上の無効領域をはるかに小さくすることができる。また、従来の回転式カラーフィルタ方式では、前記回転式カラーフィルタはモーターにより回転されので、装置の大型化、大消費電力化、騒音、発熱等の原因となり、小型化の障害になっていた。さらに、前記混色時間を短くするためには、カラーフィルタの径を大きくしなければならなかったが、これはさらなる装置の大型化の原因となっていた。しかし、本実施例の様な構成を用いるならば、はるかに小型軽量の照明装置を得ることができる。また、前記光反射ユニットは、ＩCプロセスを用いて容易に量産可能であるので、デバイス単価は非常に安くすることができる。よって本照明装置も、従来の回転式カラーフィルタを用いた照明装置の半分以下の安いコストで生産可能である。
【００７６】
さらに本実施例の照明装置をプロジェクタに用いるならば、従来の大型、大消費電力、騒音、発熱等の問題が解決され、軽量、ローコスト、超低消費電力、静粛で発熱の少ないプロジェクタを実現することが可能である。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下に示す効果がもたらされる。
【００７８】
（１） 本発明の光反射ユニットは、電圧の印加如何により光路を２状態に変更し、光の進路を切り換えることができるため、光スイッチング素子として機能する。また本光反射ユニットは光の干渉を利用するものではないため、白色光に対しても大きなスイッチング効果を得ることができる。さらにその切換え速度は、一般に高速で、瞬時のスイッチングが可能である。さらに、ＩＣプロセスを用いて容易に量産可能であり、コストも安い。
【００７９】
（２）本発明の光反射ユニットにおいて、接触する面のいずれか片方または両方に、チッ化シリコン、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣ）等の層を設けて吸着防止対策を行ったり、他に、吸着の主な原因となる水分を除去するために、乾燥雰囲気中で製造する、あるいは薬品による撥水処理を行うなどの方法を用いれば、光反射ユニットの繰り返し耐久性を向上させ、長寿命化することができる。
【００８０】
（３）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸を形成するのに、異方性エッチングを用いれば、特定の角度の斜面を簡単に得ることができる。 また、等方性エッチングを繰り返し用いて斜面を形成し、膜厚を最適にすれば、膜の剛性により他の方法同様均一な斜面を簡単に得ることができる。また、前記薄膜３と前記基板は階段の頂点で接触するのみであるから、前述の吸着の問題も緩和することができる。
【００８１】
（４）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状を鋸波状とすれば、特定の方向に多くの光を反射することができる。これは周囲の光学系の設計によっては迷光の低減などの効果をもたらす。
【００８２】
（５）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状を台形状となる形状とし、凸部の頂点において前記薄膜３と接合すれば、前記基板の周辺部には平坦部を有しているため、前記基板及び前記薄膜３のより強固な接合を得ることができる。尚、前記平坦部の面積を１０％以下にすれば、強固な接合を維持しながら、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分も小さく抑えることができる。
【００８３】
（６）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状を台形状となる形状とし、前記基板の凹凸の頂点の平坦部に位置する前記反射面にブラック・マスクを施せば、前記凸部の頂点に位置する部分では光は吸収され反射は起きず、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分をカットすることができる。よって強固な接合を維持しながら、コントラストの高い光スイッチング素子を実現することができる。
【００８４】
（７）本発明の光反射ユニットにおいて、基板にダンパ室を設けて圧縮された空気を逃がし、抵抗となるのを防いで、前記第２の状態がうまく実現されるような構成にすれば、内部の空気の弾性等の抵抗の影響を緩和することができる。
【００８５】
（８）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状をストライプ状となる形状とすれば、反射方向は２方向となり、光学系の構成によっては、不要反射光の処理を簡単にすることができる。
【００８６】
（９） 本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状をストライプ状となる形状とし、さらに各ストライプにおいて前記薄膜を切り離した構成とすれば、空気の弾性の影響を回避できるほか、前記薄膜の張力による弾性を軽減することができるので、大きな変形陵が必要な場合も小さな駆動力で変形を得ることができる。即ち、駆動電圧の低電圧化等の効果がある。
【００８７】
（１０）本発明の光反射ユニットにおいて、ポンプ室と流体を用いて駆動する構成すれば、均一な薄膜の変形を得ることができる。
【００８８】
（１１）本発明の照明装置では、高速でＲＧＢの出力光を選択的に出力でき、切換え時間がごくわずかである。そのため、色順次方式のプロジェクタ等の光源に用いた場合、混色時間が短く、色周波数を上げた場合でも、時間開口率を大きくすることができる。また、従来の回転式カラーフィルタ方式では、前記回転式カラーフィルタはモーターにより回転されので、装置の大型化、大消費電力化、騒音、発熱等の原因となり、小型化の障害になっていた。さらに、前記混色時間を短くするためには、カラーフィルタの径を大きくしなければならなかったが、これはさらなる装置の大型化の原因となる。しかし、本照明装置の構成を用いるならば、軽量であるばかりか、同等の混色時間ならばはるかに小型の照明装置を得ることができる。また、超低消費電力、静粛で発熱のないプロジェクタを構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図２】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図３】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図４】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図５】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図６】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図７】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図８】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図９】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１０】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１１】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１２】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１３】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１４】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１５】本発明の照明装置の一実施例を説明するための説明図。
【図１６】従来の光反射ユニットの一例を説明するための説明図。
【図１７】従来の照明装置の一例を説明するための説明図。
【符号の説明】
１ 基板
２ 電極
３ 薄膜
４ 入射瞳
５ 入射光線
６ 反射光線
７ ブラック・マスク
８ ダンパ室
９ 流体
１０ ランプ
１１ リフレクタ
１２ ダイクロイックミラー
１３ 光反射ユニット
１４ 赤色光
１５ 緑色光
１６ 青色光
１７ 可動膜
１８ 固定膜
１９ 集光レンズ
２０ 絞り
２１ 回転式カラーフィルタ
２２ モーター
２３ コンデンサレンズ
２４ 第１の領域
２５ 第２の領域
２６ 制御手段
２７ 連結部
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像投影装置を構成する照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来の光反射ユニットについて説明する。
【０００３】
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、従来の光反射ユニットの一例の構成を示す説明図である。光反射ユニットは、基板１と、前記基板１上に設けられストライプ状に分割された導電性の可動膜１７及び固定膜１８より構成される。前記可動膜１７及び前記固定膜１８には光反射率を高めるために反射膜が蒸着されている。また、前記基板１の前記可動膜１７に相対する面には電極２が設けられており、前記可動膜１７との間に電圧を印加することによって、前記可動膜１７を変形させることができるようになっている。ここで前記変形量は、入射光の波長をλとすると、λ／４になっている。
【０００４】
さて、図１６（ａ）に示すように、前記可動膜１７及び前記固定膜１８には、最初に、反射しようとする光の波長をλとするとλ／２の高低差を設けてある。この状態では、前記可動膜１７及び前記固定膜１８の反射光の位相差はλであり、強度が減じられることはなく反射する。次に、図１６（ｂ）に示すように、前記可動膜１７と前記電極２との間に電圧を印加する。すると、前記のように前記可動膜１７はλ／４だけ変形し、反射面が移動する。その結果、前記可動膜１７及び前記固定膜１８の反射光の間にはλ／２の位相差が生じ、互いに打ち消し合って強度が大きく低下する。図１６に示す従来の光反射ユニットは、以上の様な構成によって光のスイッチング、乃至は強度変調を行っていた。
【０００５】
次に、従来の照明装置について説明する。
【０００６】
図１７は、従来のプロジェクタに用いられていた照明装置の一例の構成を示す説明図である。照明装置は、白色光を発生するランプ１０と、前記ランプ１０の光を効率よく一方向に導くリフレクタ１１と、前記白色光源の出射光を集光する集光レンズ１９と、前記集光された光のうち照明に適した部分の光を取り出す絞り２０と、前記絞り２０を通過した白色光から、赤、緑、青のそれぞれの波長域の光のいずれかを透過させ、時分割的に選択して目的の波長域の照明光を取り出す回転式カラーフィルタ２１と、前記回転式カラーフィルタ２１を回転するモーター２２と、前記回転式カラーフィルタの透過光を光変調素子等に導くコンデンサレンズ２３より構成されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
まず、従来の光反射ユニットでは、反射光に位相差を生じせしめることにより干渉させ、強度を変化させていたため、レーザ光源のような単色の光源を用いる場合は光スイッチングあるいは光の強度変調を容易に行うことが可能であったが、白色光あるいは広い幅の波長帯域をもった光に対して、十分なコントラストをもって反射光の強度を変化させることは難しかった。また、前記固定膜１８及び前記可動膜１７の位置精度が変調のコントラストに大きく影響することから、製造上の寸法精度の要求も厳しい。さらに、コントラスト向上の為にはスイッチングＯＦＦの際に不要光が進む方向である回折角を大きくしなければならないが、回折角を大きくするには前記固定膜１８及び前記可動膜１７のピッチを狭くしなくてはならず、可視光域では数μ以下となってしまい、製作が不可能になる可能性があった。
【０００８】
また、画像投影装置において小型軽量化の要求が年々高まる一方で、従来の照明装置ではフィルタを回転するメカニカルな機構を搭載しなければならなかったため、装置の大型化、振動、騒音、発熱、コスト高等が避け難い問題になっていた。さらに近年、所謂カラーブレークアップ等の問題から色周波数の高速化が求められている一方で、従来のようなカラーフィルタを回転する方式では、モーターの回転数や寿命等の点で限界に達しつつあった。また、前記方式ではカラーフィルタの境界線が絞りを通過する時間は、前記境界線の前後の色の光が両方透過してしまい混色を生ずる混色期間となり、時間軸上で照明光の利用ができない無効な時間となる。この無効時間は、３分割のカラーフィルタでも一般に１０％程度にのぼり、回転式カラーフィルタを用いる限り必然的に１０％程度の光量を無駄にしてしまうという課題を有していた。他に、振動、騒音、発熱の問題から前記モーターの回転数を上げずに色周波数を高くするために、前記カラーフィルタの分割数を増やす方法があるが、そうするとさらに境界線の数が増え時間軸上の無効成分が増えてしまうという課題を有していた。
【０００９】
そこで、本発明では、 前記の諸問題を解決した光反射ユニット、照明装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光反射ユニットは、
（１）複数の凹凸が形成された基板と、
前記基板を覆うように前記基板の表面に設けられた光反射性の薄膜とを有し、前記薄膜が略平面である第1の状態と、
前記基板及び前記薄膜の間の静電力によって前記凹凸に従って前記薄膜が変形し、前記第1の状態に対して斜めの面を生じる第2の状態とを有することを特徴とする。
【００１１】
（２）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸の凹部は略４角錐状であることを特徴とする。
【００１２】
（３）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸の凸部は略４角錐状であることを特徴とする。
【００１３】
（４）第２項または第３項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は型により形成されることを特徴とする。
【００１４】
（５）第２項または第３項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は異方性エッチングにより形成されることを特徴とする。
【００１５】
（６）第２項または第３項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は複数回の等方性エッチングにより階段状に形成されることを特徴とする。
【００１６】
（７）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記薄膜３の前記基板の凹凸の凸部上に位置する部分は、光学的にマスキングされていることを特徴とする。
【００１７】
（８）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸はストライプ状であることを特徴とする。
【００１８】
（９）第１項記載の光反射ユニットにおいて、前記基板の凹凸は柱状であることを特徴とする。
【００１９】
（１０）本発明の照明装置は、
白色光源と、
波長域に応じて選択的に入射光を透過あるいは反射する波長選択手段と、
前記波長選択手段により選択された光の強度を、制御信号に応じて強度を加減して反射する請求項１記載の光反射ユニットと、
前記光反射ユニットから出射される各波長域の光を再合成する光合成手段とを有し、
前記光反射ユニットを制御して、前記白色光源の出射光から選択的に目的の波長域の光線を取り出すことにより照明を行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下に本発明の実施例を示し、図を用いて説明する。
【００２１】
まず、本光反射ユニットの構造の概要について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例である光反射ユニットの構成を示す説明図である。前記光反射ユニットは、複数の凹部と凸部が形成されたガラス等の基板１、図示されていないが前記基板１の凹部に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられた導電性の薄膜３より構成される。ここで、図は概念図であり作図の都合上凹凸の数が数個しか描かれていないが、実際は用途に応じて凹凸の数や間隔、深さ等が決定され、一般にはさらに多数の凹凸が形成される。図のように、本光反射ユニットは、凹凸のある前記基板１を、平面の蓋をするように前記薄膜３で覆ったような構造となっている。また前記基板１の凹部と前記薄膜３とに囲まれた中空な空間を有する。
【００２３】
前記薄膜３は、シリコンをエッチングして薄膜化したものの片面に、光反射率を向上するためにＣｒ膜及びＡｕ膜を積層したものである。シリコン以外に、高分子膜等の導電性でない素材に、別途電極２及び反射膜をつけたものでもよい。尚、本文中では前記反射膜が積層されている面を反射面と呼ぶことにする。
【００２４】
次に前記基板１の形状について詳しく説明する。
【００２５】
図２は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図である。図に示したように、前記基板１の表面には、４角錘状の凹部が多数形成されている。一方、凸部は格子状の陵線となっており、ここで前記薄膜３と接している。尚、この部分においては接合されていてもされていなくても構わない。一方周辺部には平坦部を有しており、この部分において、前記薄膜３と陽極接合等により強固に接合されている。よって、この状態では、前記薄膜３は自分自身の張力によって平面を保っている。
【００２６】
尚、図１の説明でも触れた通り、前記基板１の前記凹部には前記電極２が取り付けられている。前記電極２は、たとえばＩＴＯを蒸着することによって形成される。あるいは、前記基板１を絶縁体（ガラス等）−導電体（ＡｕＣｒ）−絶縁体（２酸化シリコン等）の３層構造にして、前記凹部に一面にＡｕＣｒ電極２が存在する構成にしてもよい。前記電極２は、前記薄膜３との間に電圧を印加し、前記薄膜３を変形させるのに用いられる。
【００２７】
次に、本発明の光反射ユニットの作用について説明する。
【００２８】
図３及び図４は、本発明の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。図１と同様に、光反射ユニットは基板１、電極２、薄膜３より構成される。尚、図１及び図２同様、前記電極２は前記基板１の凹部に取り付けられているが、作図の都合上図示されていない。また、以下の説明のため、後続する光学系の入射瞳４、入射光線５、反射光線６を図中に加えてある。
【００２９】
さて、図３に示したように、始め前記薄膜３及び前記基板１の電極２が同電位であったとすると、前記薄膜３は自身の張力によって略平面となっている。これを第1の状態とする。この状態で略平行な光が入射すると、前記光反射ユニットは平面ミラーとして作用し、入射光を正反射する。よって前記入射瞳４には反射光が入射する。
【００３０】
次に、図４に示したように、前記電極２及び前記薄膜３の間に電圧を印加する。すると、両者間に静電力が働き、前記薄膜３は前記電極２に吸い寄せられるように変形する。前記基板１には凹凸が形成されているため、その形に従って前記薄膜３は変形する。これを第２の状態とする。前記光反射ユニットの反射面には、微小な斜めの面が多数形成される。本光反射ユニットに入射した光が略平行であったとすると、入射光は図に示したように幾何光学的に前記第１の状態とは異なる方向に反射され、前記入射瞳４には入射しない。尚このときの反射の角度は前記基板１の凹部の角度の設計で決まる。
【００３１】
印加した電圧を解除すると、静電力は働かなくなり、前記薄膜３は自身の張力によって略平面の復元する。よって再び第1の状態に戻り、前記光反射ユニットは平面ミラーとなり、入射光は正反射して前記入射瞳４に入射する。
【００３２】
以上のように、本光反射ユニットは、電圧の印加如何により光路を２状態に変更し、光の進路を切り換えることができるため、光スイッチング素子として機能する。また本光反射ユニットは光の干渉を利用するものではないため、白色光に対しても大きなスイッチング効果を得ることができる。さらに、前記薄膜３は軽量で変形量も小さいため、スイッチングの速度は一般に高速で、膜の厚さ、密度、印加電圧、変形量等にもよるが数十ｎｓでの切り換えも可能である。また、本光反射ユニットは、ＩCプロセスを用いて容易に量産可能であるので、デバイス単価も非常に安くすることができる。
【００３３】
尚、前記第２の状態では、前記薄膜３は前記電極２に吸い寄せられ接触する。その際、吸着が起こり、第1の状態に復元しない場合がありうる。そこで、この接触面に吸着防止対策を行ってもよい。たとえば接触する面のいずれか片方または両方に、チッ化シリコン、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣ）等の層を設けてもよい。他に、吸着の主な原因となる水分を除去するために、乾燥雰囲気中で製造する、あるいは薬品による撥水処理を行うなどの方法を用いることができる。以上のような吸着防止対策を行うことにより、光反射ユニットの繰り返し耐久性を向上させ、長寿命化することができる。
【００３４】
また本実施例では、前記基板１の凸部は４角錘状としており、この場合前記第２の状態において散乱光は４方向に散乱されるが、その方向と角度は凸部の形状によるのはいうまでもない。よって、前記凹部の深さ、斜面の角度、形状等は周辺の光学系の条件に適するように決定され、前記薄膜３の変形時に斜めの面を生ずる形状でありさえすれば、他の形状とすることもできる。
【００３５】
また、当然ながら前記基板１はガラス以外の材料であってもよく、また前記凹凸も、型を用いて形成してもよいし、切削加工によってもよい。あるいは、エッチングにより形成してもよい。前記基板１がシリコン等の場合、異方性エッチングを用いれば、特定の角度の斜面を簡単に得ることができる。
【００３６】
また、等方性エッチングを繰り返し用いて斜面を形成してもよい。即ち、平面のエッチングを徐々に削る領域を狭くしながら繰り返すことによって、階段状の斜面を形成することができる。この場合、膜厚を最適にすれば、膜の剛性により斜面の階段形状は緩和され、他の方法同様均一な斜面を得ることができる。また、前記薄膜３と前記基板１は階段の頂点で接触するのみであるから、前述の吸着の問題も緩和することができる。
【００３７】
また、前記状態２における前記薄膜３の凹凸形状を実現する前記基板１の形状は色々なものが考えられ、例えば凸部が柱状、即ち断面が矩形波状のものであってもよい。その場合、やはり膜厚あるいは前記電極２の形状を最適にすれば、膜の剛性により本実施例で示したのと同様の変形形状を得ることができる。この場合、前記基板１は１回の等方性エッチングで容易に製造することができる。
【００３８】
（実施例２）
図５は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図であって、前記基板１の形状の異なる例を示している。実施例１において、前記基板１の凹凸の形状は、凹部が４角錘状となる形状としていたが、図に示したように、凸部の方が４角錘状となる形状としてもよい。
【００３９】
図に示したように、前記基板１の表面には、４角錘状の凸部が多数形成されている。凸部の頂点は前記薄膜３と接しており、前記薄膜３が電圧非印加時に平面となるように支えている。尚、この部分において前記基板１及び前記薄膜３は接合されていてもされていなくても構わない。一方実施例１同様、周辺部には平坦部を有しており、この部分において、前記薄膜３と陽極接合等により強固に接合されている。
【００４０】
実施例１に対して前記基板１の形状は異なるが、電圧非印加時、即ち第１の状態では、前記実施例１の図３と同様に前記薄膜３は略平面となり、入射光を正反射する。よって前記入射瞳４には反射光が入射する。また、電圧印加時、、即ち第２の状態では、図４と同様に前記薄膜３は変形し、入射光は図に示したように幾何光学的に前記第１の状態とは異なる方向に反射され、前記入射瞳４には入射しない。よって光スイッチング素子として機能する。
【００４１】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４２】
（実施例３）
図６は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。
【００４３】
実施例１において、第２の状態における前記基板１の反射面の凹凸の形状の断面は三角波状となる形状としていたが、鋸波状となる形状としてもよい。すなわち、前記基板１の凹凸形状の１つ１つの４角錐を偏りのある４角錐としてもよい。図６は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図であり、本実施例の第２の状態における光反射の状態を示す説明図である。図のように、凹凸の形状を鋸波状とすれば、特定の方向に多くの光を反射することができる。これは周囲の光学系の設計によっては迷光の低減などの効果をもたらす。
【００４４】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４５】
（実施例４）
図７は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。
【００４６】
実施例１において、第２の状態における前記基板１の反射面の凹凸の形状の断面は三角波状となる形状としていたが、台形状となる形状とし、凸部の頂点において前記薄膜３と接合してもよい。図７は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図であり、本実施例の第２の状態における光反射の状態を示す説明図である。図のように、凹凸の形状を台形状とすれば、前記基板１の周辺部には平坦部を有しているため、前記基板１及び前記薄膜３のより強固な接合を得ることができる。尚、前記平坦部の面積を１０％以下にすれば、強固な接合を維持しながら、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分も小さく抑えることができる。
【００４７】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４８】
（実施例５）
図８は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図である。
【００４９】
実施例４において、第２の状態における前記基板１の反射面の凹凸の形状の断面は台形状状となる形状としていたが、前記基板１の凹凸の頂点の平坦部に位置する前記反射面にブラック・マスク７を施し、正反射成分を除去してコントラストを向上してもよい。図８は、前記基板１の凹凸を説明するための説明図であり、本実施例の第２の状態における光反射の状態を示す説明図である。図のように、ブラック・マスク７を施せば、前記凸部の頂点に位置する部分では光は吸収され反射は起きず、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分をカットすることができる。よって強固な接合を維持しながら、コントラストの高い光スイッチング素子を実現することができる。
【００５０】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５１】
（実施例６）
図９は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの構成を説明するための説明図であって、前記光反射ユニットの基板１の形状を示す。
【００５２】
実施例１において、前記基板１及び前記薄膜３に囲まれる領域は中空であり、空気等が存在する。そこで、前記第２の状態において圧縮された空気を逃がし、抵抗となるのを防いで、前記第２の状態がうまく実現されるような構成にしてもよい。即ち図に示した様に、前記空気の抵抗の緩衝のため、前記基板１にダンパ室８を設けてもよい。本実施例では、内部の空気等の弾性による抵抗の影響を緩和し、確実に前記第２の状態を実現することができる。またそれにより駆動電圧を下げることができる。
【００５３】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５４】
（実施例７）
図１０は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの構成を説明するための説明図であって、前記光反射ユニットの基板１の形状を示す。
【００５５】
実施例１において、前記基板１の凹凸の形状は、凸部が４角錘状となる形状としていたが、図に示したようにストライプ状となる形状としてもよい。実施例１では、反射光は４方向に反射されていたが、図のように、凹凸の形状をストライプ状とすれば、反射方向は２方向となる。よって光学系の構成によっては、不要反射光の処理を簡単にすることができる。
【００５６】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００５７】
（実施例８）
実施例７において、さらに各ストライプにおいて前記薄膜３を切り離した構成としてもよい。
【００５８】
図１１は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図であって、状態２における前記薄膜３の変形の様子を表している。図に示したように、前記薄膜３は、各ストライプのおいて切り離されている。各ストライプを切り離せば、空気の弾性の影響を回避できるほか、前記薄膜３の張力による弾性を軽減することができるので、大きな変形陵が必要な場合も小さな駆動力で変形を得ることができる。即ち、駆動電圧の低電圧化等の効果がある。
【００５９】
他の構成は実施例１と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００６０】
（実施例９）
以下に本発明の実施例を示し、図を用いて説明する。
【００６１】
まず、本実施例における光反射ユニットの構造について説明する。
【００６２】
図１２及び図１３は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの構成を示す説明図であって、前記光反射ユニットの基板１の形状を示している。
【００６３】
前記光反射ユニットは、複数の凹部と凸部を有する第1の領域２４と、直方体状に掘り込まれた第2の領域２５が形成された基板１、前記基板１の第2の領域に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられ、本光反射ユニットの反射面を形成している薄膜３、前記第1の領域２４と第2の領域２５と、前記薄膜３によって囲まれた空洞を連結する連結部２７、前記空洞に充填され、各領域を自由に移動することができる流体９より構成される。
【００６４】
図のとおり、前記基板１の第1の領域には、４角錘状の凹部が多数形成されている。尚、図は概念図であり作図の都合上凹凸の数が数個しか描かれていないが、実際は用途に応じて凹凸の数や間隔、深さ等が決定され、一般にはさらに多数の凹凸が形成される。また、 前記第1の領域２４は、前記第2の領域２５と連結されている。前記第2の領域は前記薄膜３とともにポンプ室を形成している。前記薄膜３は、シリコンをエッチングして薄膜化したものの片面に、光反射率を向上するためにＣｒ膜及びＡｕ膜を積層して作られる。よって導電性であり、静電力を働かせる際の電極２を兼ねている。尚、前記薄膜３は高分子膜等の導電性でない素材に、別途電極２をつけたものでもよい。前記基板１と前記薄膜３は、前記第1の領域を含む前記基板１の全域の接する部分において、陽極接合等により強固に接合されている。
【００６５】
また前記電極２は、たとえばＩＴＯを蒸着することによって形成される。あるいは、前記基板１を絶縁体（ガラス等）−導電体（ＡｕＣｒ）−絶縁体（２酸化シリコン等）の３層構造にして、前記凹部に一面にＡｕＣｒ電極２９が存在する構成にしてもよい。
【００６６】
次に、本実施例における光反射ユニットの作用について説明する。
【００６７】
図１３及び図１４は、本発明の他の一実施例である光反射ユニットの作用を説明するための説明図であって、図１３は第１の状態における前記薄膜３の様子と光線の進路を、図１４は第2の状態における前記薄膜３の変形の様子と光線の進路を表している。 前記光反射ユニットは、複数の凹部と凸部を有する第1の領域２４と、直方体状に掘り込まれた第2の領域２５が形成された基板１、前記基板１の第2の領域に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられ、本光反射ユニットの反射面を形成している薄膜３、前記第1の領域２４と第2の領域２５と、前記薄膜３によって囲まれた空洞に充填され、各領域を自由に移動することができる流体９より構成される。また、以下の説明のため、本光反射ユニットの反射光を捕らえる後続する光学系の入射瞳４、入射光線５、反射光線６を図中に加えてある。
【００６８】
さて、図１３に示したように、始め前記薄膜３及び前記基板１の電極２が同電位であったとすると、前記薄膜３は自身の張力によって全体が略平面となっている。これを第1の状態とする。この状態で略平行な光が入射すると、前記光反射ユニットは平面ミラーとして作用し、入射光を正反射する。このとき前記入射瞳４に反射光が入射するような位置に前記入射瞳４を設置する。
【００６９】
次に、前記電極２及び前記薄膜３の間に電圧を印加する。すると、図１４に示したように前記ポンプ室において両者間に静電力が働き、前記薄膜３は前記電極２に吸い寄せられるように変形する。前記基板１及び前記薄膜３に囲まれた空洞には流体が充填されているため、前記ポンプ室の容積が減少すると、それ以外の部分においては前記薄膜３は押し上げられる。言い換えると、前記第２の領域２５の容積が減少し、それに相当する分前記第１の領域２４の容積が増大する。前記第１の領域では、前記基板１に形成された凹凸の前記薄膜３と接する部分は接合さているため、前記薄膜３はでこぼこに変形する。これを第２の状態とする。このとき、本光反射ユニットに略平行な光線が入射したとすると、入射光は図に示したように幾何光学的に第１の状態とは違った方向に反射され、前記入射瞳４には入射しない。
【００７０】
よって以上のように、本光反射ユニットは、電圧の印加如何により平面ミラーである第１の状態と第２の状態を切り換えることができるため、光スイッチング素子として用いることができる。本実施例では、アクチュエータ部が単純な構造になるためより信頼性の高い光反射ユニットを構成することができる。また、光変調にかかわる前記第1の領域における部分的な吸着も起こりにくく、均一な前記薄膜３の変形を得ることができる。
【００７１】
（実施例１０）
以下に本発明の実施例を示し、図を用いて説明する。
【００７２】
図１５は、本発明の一実施例である照明装置の構成を示す説明図である。まず本発明の照明装置の構成について説明する。
【００７３】
照明装置は、ランプ１０と、リフレクタ１１と、一定の波長域の光を選択的に透過あるいは反射する波長選択手段であるダイクロイックミラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄと、前記波長選択手段により分離された各波長域の光を制御信号に応じて反射方向を変えて反射する光反射ユニット１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ、制御手段２６より構成される。また、前記光反射ユニットは、図１及び図２で示したように、複数の凹部と凸部が形成された基板１、図示していないが前記基板１の凹部に取り付けられた電極２、前記基板１を覆うように前記基板１の表面に設けられ、本光反射ユニット１３の反射面を形成している薄膜３より構成される。
【００７４】
次に本発明の照明装置の作用について説明する。前記ランプ１０から発せられた白色光は、前記リフレクタ１１により１方向に効率よく出射される。前記白色光は前記ダイクロイックミラー１２ａに入射すると、まず青色の成分が反射されて９０°方向を変え、前記光反射ユニット１４ａに入射する。さらに、前記光反射ユニット１４ａでＯＮ／ＯＦＦを制御された後、前記ダイクロイックミラー１２ｄに到達し、再度方向を９０°変えて出力される。また、緑色及び赤色の成分は、前記ダイクロイックミラー１２ａを透過し、前記ダイクロイックミラー１２ｂに到達する。ここで緑色の成分は反射されて９０°方向を変え、前記光反射ユニット１４ｂに入射する。さらに、前記光反射ユニット１４ｂでＯＮ／ＯＦＦを制御された後、前記ダイクロイックミラー１２ｃに到達し、再度方向を９０°変え、前記ダイクロイックミラー１２ｄを透過して出力される。赤色の成分は、前記ダイクロイックミラー１２ｂをも透過し、前記光反射ユニット１４ｃに入射する。さらに、ここでＯＮ／ＯＦＦを制御された後、前記ダイクロイックミラー１２ｃ、１２ｄを透過して出力される。
【００７５】
本照明装置は、前記光反射ユニット１３を制御することにより、高速で前記白色光源から出射される光から赤、緑、青の出力光を選択したり、あるいは任意の割合で合成して、任意の時間任意の波長域による照明を行い得る。また前記光反射ユニットの前記薄膜３は軽量で変形量も小さいため、選択に要する時間はごくわずかである。そのため、色順次方式のプロジェクタ等の光源に用いた場合、混色時間を非常に短くでき、色周波数を上げた場合でも、時間軸上の無効領域をはるかに小さくすることができる。また、従来の回転式カラーフィルタ方式では、前記回転式カラーフィルタはモーターにより回転されので、装置の大型化、大消費電力化、騒音、発熱等の原因となり、小型化の障害になっていた。さらに、前記混色時間を短くするためには、カラーフィルタの径を大きくしなければならなかったが、これはさらなる装置の大型化の原因となっていた。しかし、本実施例の様な構成を用いるならば、はるかに小型軽量の照明装置を得ることができる。また、前記光反射ユニットは、ＩCプロセスを用いて容易に量産可能であるので、デバイス単価は非常に安くすることができる。よって本照明装置も、従来の回転式カラーフィルタを用いた照明装置の半分以下の安いコストで生産可能である。
【００７６】
さらに本実施例の照明装置をプロジェクタに用いるならば、従来の大型、大消費電力、騒音、発熱等の問題が解決され、軽量、ローコスト、超低消費電力、静粛で発熱の少ないプロジェクタを実現することが可能である。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下に示す効果がもたらされる。
【００７８】
（１） 本発明の光反射ユニットは、電圧の印加如何により光路を２状態に変更し、光の進路を切り換えることができるため、光スイッチング素子として機能する。また本光反射ユニットは光の干渉を利用するものではないため、白色光に対しても大きなスイッチング効果を得ることができる。さらにその切換え速度は、一般に高速で、瞬時のスイッチングが可能である。さらに、ＩＣプロセスを用いて容易に量産可能であり、コストも安い。
【００７９】
（２）本発明の光反射ユニットにおいて、接触する面のいずれか片方または両方に、チッ化シリコン、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣ）等の層を設けて吸着防止対策を行ったり、他に、吸着の主な原因となる水分を除去するために、乾燥雰囲気中で製造する、あるいは薬品による撥水処理を行うなどの方法を用いれば、光反射ユニットの繰り返し耐久性を向上させ、長寿命化することができる。
【００８０】
（３）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸を形成するのに、異方性エッチングを用いれば、特定の角度の斜面を簡単に得ることができる。 また、等方性エッチングを繰り返し用いて斜面を形成し、膜厚を最適にすれば、膜の剛性により他の方法同様均一な斜面を簡単に得ることができる。また、前記薄膜３と前記基板は階段の頂点で接触するのみであるから、前述の吸着の問題も緩和することができる。
【００８１】
（４）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状を鋸波状とすれば、特定の方向に多くの光を反射することができる。これは周囲の光学系の設計によっては迷光の低減などの効果をもたらす。
【００８２】
（５）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状を台形状となる形状とし、凸部の頂点において前記薄膜３と接合すれば、前記基板の周辺部には平坦部を有しているため、前記基板及び前記薄膜３のより強固な接合を得ることができる。尚、前記平坦部の面積を１０％以下にすれば、強固な接合を維持しながら、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分も小さく抑えることができる。
【００８３】
（６）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状を台形状となる形状とし、前記基板の凹凸の頂点の平坦部に位置する前記反射面にブラック・マスクを施せば、前記凸部の頂点に位置する部分では光は吸収され反射は起きず、光スイッチングのコントラストを低下させる正反射光成分をカットすることができる。よって強固な接合を維持しながら、コントラストの高い光スイッチング素子を実現することができる。
【００８４】
（７）本発明の光反射ユニットにおいて、基板にダンパ室を設けて圧縮された空気を逃がし、抵抗となるのを防いで、前記第２の状態がうまく実現されるような構成にすれば、内部の空気の弾性等の抵抗の影響を緩和することができる。
【００８５】
（８）本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状をストライプ状となる形状とすれば、反射方向は２方向となり、光学系の構成によっては、不要反射光の処理を簡単にすることができる。
【００８６】
（９） 本発明の光反射ユニットにおいて、基板の凹凸の形状をストライプ状となる形状とし、さらに各ストライプにおいて前記薄膜を切り離した構成とすれば、空気の弾性の影響を回避できるほか、前記薄膜の張力による弾性を軽減することができるので、大きな変形陵が必要な場合も小さな駆動力で変形を得ることができる。即ち、駆動電圧の低電圧化等の効果がある。
【００８７】
（１０）本発明の光反射ユニットにおいて、ポンプ室と流体を用いて駆動する構成すれば、均一な薄膜の変形を得ることができる。
【００８８】
（１１）本発明の照明装置では、高速でＲＧＢの出力光を選択的に出力でき、切換え時間がごくわずかである。そのため、色順次方式のプロジェクタ等の光源に用いた場合、混色時間が短く、色周波数を上げた場合でも、時間開口率を大きくすることができる。また、従来の回転式カラーフィルタ方式では、前記回転式カラーフィルタはモーターにより回転されので、装置の大型化、大消費電力化、騒音、発熱等の原因となり、小型化の障害になっていた。さらに、前記混色時間を短くするためには、カラーフィルタの径を大きくしなければならなかったが、これはさらなる装置の大型化の原因となる。しかし、本照明装置の構成を用いるならば、軽量であるばかりか、同等の混色時間ならばはるかに小型の照明装置を得ることができる。また、超低消費電力、静粛で発熱のないプロジェクタを構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図２】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図３】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図４】本発明の光反射ユニットの一実施例を説明するための説明図。
【図５】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図６】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図７】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図８】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図９】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１０】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１１】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１２】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１３】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１４】本発明の光反射ユニットの他の一実施例を説明するための説明図。
【図１５】本発明の照明装置の一実施例を説明するための説明図。
【図１６】従来の光反射ユニットの一例を説明するための説明図。
【図１７】従来の照明装置の一例を説明するための説明図。
【符号の説明】
１ 基板
２ 電極
３ 薄膜
４ 入射瞳
５ 入射光線
６ 反射光線
７ ブラック・マスク
８ ダンパ室
９ 流体
１０ ランプ
１１ リフレクタ
１２ ダイクロイックミラー
１３ 光反射ユニット
１４ 赤色光
１５ 緑色光
１６ 青色光
１７ 可動膜
１８ 固定膜
１９ 集光レンズ
２０ 絞り
２１ 回転式カラーフィルタ
２２ モーター
２３ コンデンサレンズ
２４ 第１の領域
２５ 第２の領域
２６ 制御手段
２７ 連結部
Claims (3)
- 複数の凹凸が形成された基板と、
前記基板を覆うように前記基板の表面に設けられた光反射性の薄膜とを有し、
前記薄膜が略平面である第1の状態と、
前記基板及び前記薄膜の間の静電力によって
前記凹凸に従って前記薄膜が変形し、
前記第1の状態に対して斜めの面を生じる第2の状態
とを有する光反射ユニットであって、
前記凹凸の斜面は階段状に形成されてなることを特徴とする光反射ユニット。 - 請求項１において、前記基板の凹凸の凹部は略４角錐状であることを特徴とする光反射ユニット。
- 請求項１において、前記基板の凹凸の凸部は略４角錐状であることを特徴とする光反射ユニット。
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