JP3800288B2 - Light modulation device and display device - Google Patents

Light modulation device and display device Download PDF

Info

Publication number
JP3800288B2
JP3800288B2 JP22206899A JP22206899A JP3800288B2 JP 3800288 B2 JP3800288 B2 JP 3800288B2 JP 22206899 A JP22206899 A JP 22206899A JP 22206899 A JP22206899 A JP 22206899A JP 3800288 B2 JP3800288 B2 JP 3800288B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
mirror
modulation device
light modulation
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP22206899A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2001051212A (en
Inventor
明 松沢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP22206899A priority Critical patent/JP3800288B2/en
Publication of JP2001051212A publication Critical patent/JP2001051212A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3800288B2 publication Critical patent/JP3800288B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミラーの変形によって入射光を変調して表示を行うための光変調デバイス及び表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光を変調して表示を行うための光変調デバイスとしては、例えば、基板上に設けた電極に電圧を印加し、その吸引力等によってミラーを傾斜させて入射光を変調させるものや、圧電体層を一対の電極膜で挟持した圧電素子上にミラーを設け、圧電素子を変形させることによりこのミラーを傾斜させて入射光を変調させるもの等が知られている。
【0003】
また、圧電素子を利用したものとしては、特表平9−504387号公報に見られるように、片持ち梁状の圧電素子の表面に薄膜等からなるミラー膜を形成し、圧電素子を変形させることによりこのミラー膜を屈曲させて入射光の方向を変えるものも提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような圧電素子を利用した光変調デバイスは、何れにしても、圧電素子の長手方向一端部を支持した片持ち梁状の構造であり、この構造の場合、圧電素子をその長手方向に沿った一方向のみに変形させることで光の方向を変えて変調するため、変調性能が低いという問題がある。
【0005】
また、静電吸引力等によってミラーを傾斜させる光変調デバイスでは、デジタル的にミラーをON、OFFするため、高階調な画像を得ることが難しいという問題がある。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑み、反射面の曲率変化を大きくして集光性能を向上させると共に変調性能を向上した光変調デバイス及びそれを用いた表示装置を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、圧電体層及びこれを挟持する第1及び第2の電極からなる圧電素子を有すると共に光を反射するミラー膜構造を有するミラー要素と、該ミラー要素に対応して設けられた駆動素子とを有する光変調デバイスにおいて、前記圧電素子は、前記ミラー要素の厚さ方向に貫通した貫通孔を少なくとも2つ有し、前記第1及び第2の電極は、それぞれ前記貫通孔を介して基板上まで延設されると共に前記ミラー要素を前記基板上に支持する第1及び第2の延設部を具備することを特徴とする光変調デバイスにある。
【0008】
かかる第1の態様では、ミラー要素を構成する圧電素子が第1及び第2の延設部によって支持され、ミラー要素の外縁部全体が固定されていないため、圧電素子の変形効率が向上する。
【0009】
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記第1及び第2の延設部は、その少なくとも一部が前記圧電素子の平面方向とは交差する方向に延設されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0010】
かかる第2の態様では、ミラー要素が基板との間に空間を保持した状態で基板表面に支持される。
【0011】
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記ミラー膜構造には前記貫通孔と連通する連通孔が外縁部から独立して設けられていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0012】
かかる第3の態様では、ミラー膜構造は、連通孔以外の部分が光を有効に反射する。
【0013】
本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様において、前記第1及び第2の延設部が、前記ミラー要素の一方の対角線に対して線対称にそれぞれ一つずつ設けられ且つ中央近傍に配置されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0014】
かかる第4の態様では、圧電素子が略中央部を支点として凹面に変形する。
【0015】
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様において、前記圧電素子の前記圧電体層に電圧を印加することにより、前記貫通孔の間の領域を支点として前記ミラー膜構造が変形され、当該ミラー膜構造に入射する光が変調されることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0016】
かかる第5の態様では、圧電素子の駆動による曲率変化が大きくなるため、ミラー膜構造に入射する光の集光性能を向上させることができる。
【0017】
本発明の第6の態様は、第1〜5の何れかの態様において、前記第1及び第2の延設部が、前記駆動素子に電気的に接続されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0018】
かかる第6の態様では、第1及び第2の延設部によって圧電素子と駆動素子とが電気的に接続されるため、配線構造が簡略化される。
【0019】
本発明の第7の態様は、第1〜6の何れかの態様において、前記第1及び第2の延設部は、パターニングされた犠牲層上に前記第1及び第2の電極を成膜することにより形成されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0020】
かかる第7の態様では、犠牲層を用いることにより、第1及び第2の延設部を容易に形成することができる。
【0021】
本発明の第8の態様は、第1〜7の何れかの態様において、前記圧電素子の前記基板側の面には、弾性板を有すると共に他方面側には、前記ミラー膜構造を有することを特徴とする光変調デバイスにある。
【0022】
かかる第8の態様では、圧電素子の一方面側に設けられた弾性板側に第1及び第2の延設部が延設されているため弾性板側を支点として圧電素子が変形し、他方面のミラー膜構造が変形する。
【0023】
本発明の第9の態様は、第8の態様において、前記圧電素子の前記ミラー膜構造は、前記他方面側の前記第2の電極又はこの上に設けられた反射膜から構成されることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0024】
かかる第9の態様では、圧電素子の第2の電極又は反射膜が光を反射する。
【0025】
本発明の第10の態様は、第1〜9の何れかの態様において、前記駆動素子が前記基板上に設けられたトランジスタであることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0026】
かかる第10の態様では、基板上に設けられたトランジスタを介して各ミラー要素の圧電素子が駆動される。
【0027】
本発明の第11の態様は、第1〜10の何れかの態様の光変調デバイスと、光源と、この光源からの光を前記光変調デバイスに入射すると共に当該光変調デバイスの前記圧電素子の駆動時又は非駆動時の何れか一方のみを出射する光学系とを具備することを特徴とする表示装置にある。
【0028】
かかる第11の態様では、ミラー膜構造の曲率変化を大きくして集光性能を向上させた光変調デバイスを用いることにより、小型、省スペース化を可能とした表示装置が実現できる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0030】
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る光変調デバイスの概略を示す斜視図であり、図2は、その一つのミラー要素を示す上面図及び断面図である。
【0031】
図1に示すように、本実施形態の光変調デバイス10は、例えば、厚さが500μmのシリコン(Si)基板等で形成されたミラー基板11と、このミラー基板11上に、2次元アレイ状に設けられたミラー要素20からなる。
【0032】
これらのミラー要素20は、例えば、1280×1024要素の2次元アレイ状に設けられ、例えば、図2に示すように、弾性板31上に形成された下電極膜32、圧電体層33及び上電極膜34を有する圧電素子30を有する。また、本実施形態では、この圧電素子30を構成する上電極膜34が入射光を反射する反射膜を兼ねている。なお、勿論、上電極膜34とは別途、反射膜を設けるようにしてもよい。
【0033】
また、各ミラー要素20の表面は、例えば一辺が約20μmの略正方形を有しており、本実施形態では、このミラー要素20の対角線上の一方には、厚さ方向に貫通した矩形の貫通孔21,22がミラー要素20の他方の対角線に対して線対称となるように設けられている。
【0034】
各ミラー要素20の圧電素子30を構成する下電極膜32及び上電極膜34には、それぞれ、圧電素子30の貫通孔21,22から貫通孔21,22の一辺と略同一幅でミラー基板11上まで延設された下電極延設部41及び上電極延設部42を有する。これら下電極延設部41及び上電極延設部42は、その一部が圧電素子30の平面方向に交差する方向に延設されており、ミラー要素20をミラー基板11との間に空間を保持した状態で支持している。すなわち、これらのミラー要素20は、貫通孔21,22の間の領域を支点として変形されるようになっている。また、ミラー基板11には、圧電素子30を駆動するためのトランジスタ等の駆動素子50が各圧電素子30に対応して設けられており、下電極延設部41及び上電極延設部42は、それぞれ各駆動素子50と電気的に接続されている。
【0035】
ここで、下電極延設部41及び上電極延設部42の幅は、特に限定されないが、圧電素子30の変形効率を向上するためには、ミラー要素20を支持固定可能な程度に細くすることが好ましい。また、下電極延設部41及び上電極延設部42、すなわち下電極膜32及び上電極膜34の膜厚も特に限定されず、ミラー要素20を支持固定可能な程度であればよく、それぞれの歪み等を考慮して適宜決定されればよい。
【0036】
また、これら下電極延設部41及び上電極延設部42が延設される貫通孔21,22の開口の大きさは、少なくとも下電極延設部41及び上電極延設部42と接触しない程度であれば特に限定されないが、反射面の面積を広くとるために、できるだけ開口面積を小さく形成することが好ましい。また、貫通孔21,22の互いの間隔によって、ミラー要素20の変形量、変形方向等が変化するため、これらを考慮して貫通孔21,22の位置を適宜決定する必要がある。
【0037】
また、このような本実施形態の光変調デバイス10の製造方法は特に限定されないが、本実施形態では、以下の工程で製造した。なお、図3及び図4は、本実施形態の光変調デバイスの製造方法を示す断面図である。
【0038】
まず、図3(a)に示すように、シリコン基板上に半導体プロセスにより所定のトランジスタからなる駆動素子50を形成し、これをミラー基板11とする。このミラー基板11上に犠牲層60を形成する。この犠牲層60の材料は、特に限定されないが、例えば、ポリシリコン又はリンドープ酸化シリコン(PSG)等を用いることが好ましく、本実施形態では、エッチングレートの比較的速いPSGを用いた。
【0039】
次に、図3(b)に示すように、犠牲層60上に弾性板31を形成する。この弾性板31は、各駆動素子50に対応する領域にパターニングし、弾性板除去部31a,31bを形成する。このような弾性板31の材料は、弾性変形可能で且つ所定の剛性を有する材料であり、後の工程で犠牲層60をエッチングする際に除去されない材料であれば、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、ジルコニウム層を形成後、例えば、500〜1200℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる弾性板31とした。
【0040】
次に、図3(c)に示すように、犠牲層60を、弾性板31の一方の弾性板除去部31aからミラー基板11の表面までエッチングすることにより貫通孔21に対応する領域にミラー基板11を露出する犠牲層除去部61を形成した。
【0041】
次に、図3(d)に示すように、犠牲層60上の全面に亘って下電極膜32を成膜すると共にパターニングする。すなわち、犠牲層除去部61の底部及び一方の側壁に形成された下電極膜32を下電極延設部41として残す。この下電極延設部41は、後の工程で犠牲層60全てを除去した後、ミラー要素20とミラー基板11との間に空間を保持した状態でミラー要素20を支持する。
【0042】
この下電極膜32の材料としては白金等が好適である。これは、後述するようにスパッタリング方やゾル−ゲル法で圧電体層33を形成する際、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で600〜1000℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜32の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層33としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた場合には、酸化鉛(PbO)の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましい。これらの理由から本実施形態では、白金をスパッタリング法により形成することにより下電極膜32とした。
【0043】
次に、図4(a)に示すように、圧電体層33を犠牲層60上の全面に亘って成膜すると共に犠牲層除去部61及び弾性板除去部31bに対応する領域の圧電体層33を除去し、貫通孔21,22を形成する。
【0044】
圧電体層33の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の材料が好ましく、本実施形態では、金属有機物を触媒に融解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層33を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。なお、この圧電体層33の成膜方法は、特に限定されず、例えばスパッタリング法で形成してもよい。
【0045】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【0046】
何れにしても、このように成膜された圧電体層33は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層33は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に0.2〜5μmである。
【0047】
次に、図4(b)に示すように、犠牲層60を、弾性板除去部31bからミラー基板11の表面までエッチングすることにより貫通孔22に対応する領域にミラー基板11を露出する犠牲層除去部62を形成した。
【0048】
次に、図4(c)に示すように、上電極膜34を犠牲層60上の全面に亘って成膜すると共にパターニングする。すなわち、犠牲層除去部62の底部及び一方の側壁に形成された上電極膜34を上電極延設部42として残し、下電極膜32との接触部は除去する。この上電極延設部42は、後の工程で犠牲層60全てを除去した後、ミラー要素20とミラー基板11とを空間を保持した状態でミラー要素20を支持する。
【0049】
なお、貫通孔21及び22の間の領域は、下電極延設部41に連通する下電極膜32と上電極延設部42に連通する上電極膜34との間に圧電体層33が挟持された圧電素子30が形成されている。また、この領域の下電極膜32の下電極延設部41側の端部は、圧電体層33で覆われて、上電極延設部42との絶縁が確保されている。
【0050】
上電極膜34は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、上電極膜34が反射膜を兼ねるため、反射率の高い材料、例えば、アルミニウム(Al)又は銀(Ag)をスパッタリング法により成膜して上電極膜34とした。
【0051】
次いで、図4(d)に示すように、犠牲層60をエッチングにより除去する。本実施形態では、犠牲層60の材料として、PSGを用いているため、弗酸、あるいは弗化アンモニウムと一水素二弗化アンモニウムとの混合水溶液等によってエッチングすることができる。
【0052】
これにより、下電極延設部41及び上電極延設部42を支持部として、ミラー要素20がミラー基板11との間に空間を保持した状態で支持固定された本実施形態の光変調デバイス10が製造される。
【0053】
ここで、このように形成された本実施形態の光変調デバイスの動作について説明する。なお、図5は、本実施形態の光変調デバイス及び光変調デバイスに照射される光の光路を模式的に示した図である。
【0054】
光変調デバイス10は、ミラー要素20を変形させることにより、光を変調させるものであり、本実施形態では、ミラー要素20は、圧電素子30に電圧を印加されない状態では、ほぼ平坦となっており、駆動素子50のスイッチングによって圧電素子30に電圧が印加されると圧電素子30の圧電体層33が面内方向に収縮して、ミラー要素20は支持部の間の領域を支点として、ミラー基板11側を凸として変形し、上電極膜34が凹面鏡となるようになっている。
【0055】
また、このような本実施形態の光変調デバイス10は、例えば、図5に示すように、ミラー要素20に相対向する位置に、遮光ドットアレイ100を具備する。この遮光ドットアレイ100は、例えば、ガラス等の透明基板からなり、各ミラー要素に対向して遮光ドット101が設けられている。この遮光ドット101は、光吸収剤からなり、例えば、樹脂に分散されたカーボンブラック、黒色顔料、黒色染料等が挙げられる。又、遮光ドットアレイ100は、各遮光ドット101が変形したミラー要素20Bの焦点近傍に設けられている。例えば、本実施形態の構成では、ミラー要素20の変形量は0.2μmであるため、遮光ドット101は各ミラー要素20から約0.2mmの距離で設けられている。
【0056】
このような構成では、圧電素子30に電圧が印加されていない状態では、入射光90がミラー要素20Aの反射膜を兼ねた上電極膜32に対して略直角に入射されるため、入射光90は入射光路と略同一光路で出射される。一方、駆動素子50によって圧電素子30に電圧が印加された状態ではミラー要素20が変形されて凹面鏡となるため、反射された後には変形したミラー要素20Bの焦点方向に集光される。本実施形態では、上述のように遮光ドット101が変形したミラー要素20の焦点近傍に設けられているため、入射光90は反射された後、遮光ドット101に集光されて入射方向にもどることはない。すなわち、このような光変調デバイス10を表示装置等に用いた場合、圧電素子30に電圧を印加する、しないによって、入射光90のON、OFFの制御を容易に行うことができる。なお、上述した例では、圧電素子30が変形しない場合がON、変形した場合がOFFとなるが、勿論、これと逆になるように設定することもできる。
【0057】
以上説明した本実施形態の光変調デバイスでは、従来の構造の光変調デバイスと比較して、入射光を反射する反射面の面積を大きくすることができる。すなわち、反射面の開口率が大きく、反射効率を向上させることができる。また、圧電素子を変形させて入射光を反射するため、アナログ的なミラー傾斜角の制御ができ、高階調な画像を得ることができる。さらに、下電極延設部及び上電極延設部がミラー基板上で駆動素子と電気的に接続されているため、圧電素子の配線構造を簡略化することができる。
【0058】
(実施形態2)
図6は、実施形態2に係る光変調デバイスの上面図である。
【0059】
本実施形態は、下電極延設部41及び上電極延設部42を2つずつ設けた図であり、図6に示すように、ミラー要素20Cの各対角線に沿って、2つの貫通孔21を隣り合うように設け、貫通孔21のそれぞれに相対向する位置に貫通孔22を設けた。この貫通孔21,22に対向する領域には、各下電極延設部41及び上電極延設部42を形成し、4カ所でミラー要素20Cを支持固定するようにした以外、実施形態1と同様である。
【0060】
このような、本実施形態の構成では、略正方形を有する圧電素子30の全ての外縁部に対して貫通孔21,22がそれぞれ略均等な距離を有しているため、下電極32及び上電極34に電圧を印加し、圧電体膜33を変形させると、ミラー要素20Dは、略均等な曲面を有する凹面鏡となる。そのため、反射した光の集光度の高いミラー要素20となる。また、ミラー要素20を支持固定する下電極延設部41及び上電極延設部42の数が倍となったため、各下電極延設部41及び上電極延設部42の剛性を低くすることができる。すなわち、各下電極延設部41及び上電極延設部42の幅を狭く形成することが可能である。このことから、貫通孔21,22の開口面積を小さくすることができるため、ミラー要素20の変形量が大きくなると共に、集光度を向上することができる。
【0061】
なお、各貫通孔21,22の位置は、特に限定されず、例えば、2つの貫通孔21を、ミラー要素20Cの一方の対角線に沿って他方の対角線に対して線対称となるように設け、2つの貫通孔22を、他方の対角線に沿って、貫通孔21が設けられた対角線に対して線対称になるように設けてもよい。
【0062】
また、各貫通孔21,22から延設される電極は、特に限定されず、例えば、4つの貫通孔21,22の内、1つの貫通孔から下電極32を延設して下電極延設部41を形成し、残り3つの貫通孔から上電極34を延設して上電極延設部42を形成しても上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【0063】
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明の光変調デバイスは上述した実施形態に限定されるものではないが、何れにしても反射面の曲率変化を大きくし、反射面の面積が大きくなっているため、集光性能が向上する。
【0064】
上述した実施形態では、ミラー要素20を略正方形としたが、これに限定されず、例えば、多角形又は円形等、何れの形状であってもよい。
【0065】
また、上述した実施形態では、反射膜を兼ねる上電極膜34を凹面鏡として作用するものとしたが、これに限定されず、成膜条件等を適宜調整して凸面鏡として作用させるようにしてもよい。
【0066】
さらに、上述した実施形態では、貫通孔21,22を矩形としていたが、貫通孔21,22の形状、大きさ等、特に限定されず、例えば多角形又は円形等、何れの形状であってもよい。また、貫通孔21,22を長孔としてもよく、この場合には下電極延設部41及び上電極延設部42の平面方向へ延設される部分が長い構造となる。
【0067】
以下には、遮光ドットアレイ以外を用いた光変調デバイスの構成例、及び凸面鏡として作用させた場合の構成例を示す。本発明は集光性能の向上により入射光を反射面に集光させる特別な光学系を必要としないという効果を奏するものであるが、入射光を集光させる光学系を用いてもよく、以下にはこのような構成も示す。
【0068】
図7には、上述した遮光ドットアレイ100の代わりに、ピンホールアレイ110及びマイクロレンズアレイ120を設けた光変調デバイスの概略構成を示す。ここで、ピンホールアレイ110は、各ミラー要素20に対向する位置にピンホール111を有し、また、各マイクロレンズアレイ120は、各ミラー要素20に対向する位置に凸レンズ121を有する。なお、ピンホールアレイ110の各ピンホール111は、変形したミラー要素20Bの焦点近傍に設けられている。
【0069】
かかる光変調デバイスでは、変形したミラー要素20Bに入射した光はピンホールアレイ110のピンホール111を通過して戻るが、変形していないミラー要素20Aに入射した光はピンホールアレイ110の遮光部112に遮断される。すなわち、この例では、上述した例とは反対に、ミラー要素20を変形した場合がONであり、未変形の場合がOFFとなる。
【0070】
なお、ミラー要素20をミラー基板11とは反対側に凸に変形するようにして凸面鏡として作用しても光変調デバイスとすることができる。このような光変調デバイスを用いた表示装置の一例を後述する。
【0071】
また、以上説明した各実施形態においては、圧電素子30の変形の際に圧電素子30と対向するミラー基板11が帯電し、静電力により圧電素子30の変形が阻害される場合があると考えられる。従って、このような問題を解消するために、上述した構成に加えて、さらに、圧電素子30の下電極膜32又は上電極膜34に対向するミラー基板11を、対向する下電極膜32又は上電極膜34と略同一電位にするようにしてもよい。すなわち、相対向する電極が共通電極で接地されている状態の場合には、ミラー基板11も接地状態にする。これにより、圧電素子30の電極とミラー基板11との電位差による帯電が生じなくなり、ミラー要素20の変形が阻害されることがなく、ミラー要素20の変位量の低下を抑えることができる。
【0072】
また、例えば、下電極膜32又は上電極膜34に対向するミラー基板上に対向電極を設け、この対向電極と下電極膜32又は上電極膜34との間に、圧電素子30の変形を補助する方向に静電力が生じるように電圧を印加するようにしてもよい。このような構成では、ミラー要素20の変位量をさらに増加させることができ、集光率をさらに高め、SN比の向上を図ることができる。
【0073】
以上説明した各構成の本発明の光変調デバイスは、例えば、表示装置の一部として用いられる。
【0074】
図8〜図10には本発明の光変調デバイスを用いた表示装置の一例を示す。なお、図8〜図10は表示装置を構成する光学系の概略断面図であり、レンズ、光変調デバイス等は大幅に簡略化して描いてある。
【0075】
図8に示す表示装置は、光源であるメタルハライドランプ210及び放射面形状のリフレクタ211と、このメタルハライドランプ210からの光を光変調デバイス10に入射させるハーフミラー220と、光変調デバイス10からの出射光を結像する投影レンズ230と、投影レンズ230により結像された像を表示するスクリーン240とを具備する。
【0076】
かかる表示装置では、光源であるメタルハライドランプ210を有し、メタルハライドランプ210から出た光は、リフレクタ211で反射されて略平行な光となってハーフミラー220に入射し、ハーフミラー220で反射されて光変調デバイス10に入射される。なお、ハーフミラー220はキューブ型のハーフプリズムとしてもよい。
【0077】
光変調デバイス10を構成するミラー要素20のうちで、駆動素子50を介して駆動されて変形しているミラー要素20Bは凹面鏡として働き、この変形したミラー要素20Bに入射した光は反射されて遮光ドット101に向かって集光され、ハーフミラー220方向には戻らない。一方、変形していないミラー要素20Aに入射した光は反射されて、投影レンズ230によって像面であるスクリーン240上に結像される。
【0078】
以上のような光学系の構成によって、光変調デバイス10を構成する各ミラー要素20がスクリーン240上の画素に対応し、ミラー要素20のON,OFF、すなわち、変形していない、変形しているによってスクリーン240上の表示画像を変化させることができる。
【0079】
なお、スクリーン240としては反射型のスクリーンあるいは透過性型のスクリーンを用いることができる。
【0080】
また、図8で示した光学系では、光源210から放出された光のうち、ハーフミラー220でその約半分だけが光変調デバイス10を照明し、残りの半分はハーフミラー220を透過して無駄な光となる。さらに、光変調デバイス10で反射した光のうちその半分だけがハーフミラー220を透過して投影レンズ230へ向かう。すなわち、光源から出てスクリーン240に到達する光は、途中でのロスがないとして理想的に見積もっても光源210から出た光の1/4程度に減衰している。
【0081】
図9に示す表示装置では、ハーフミラー220の代わりに、3つの偏光ビームスプリッタ221、222及び224を用いることにより、光源から放射されるエネルギを原理的にロスなくスクリーン240に導くようにしている。
【0082】
図示するように、光源であるメタルハライドランプ210から出た光は、放物面形状のリフレクタ211で反射され略平行な光に変換され、第1の偏光ビームスプリッタ221に入射する。以下、偏光ビームスプリッタ221はP偏光は透過し、S偏光は反射するものとする。
【0083】
光源210からでた光は、その振動方向がランダムな方向を向いている自然光なので、そのうちのP偏光成分(図中pで示す)は第1の偏光ビームスプリッタ221を透過し、S偏光成分(図中sで参照)は反射される。この反射されたS偏光成分の光は隣接する第2の偏光ビームスプリッタ222に入射し、そこで反射されて第2の偏光ビームスプリッタ222をS偏光として出射する。一方、第1の偏光ビームスプリッタ221を透過したP偏光は、第1のビームスプリッタ221の出射面に設けられた1/2波長板223によってS偏光に変換される。したがって、第3の偏光ビームスプリッタ224に入射される光はS偏光に揃っている。
【0084】
S偏光として第3の偏光ビームスプリッタ224に入射された光は、全て光変調デバイス10の方向へ反射されるが、第3の偏光ビームスプリッタ224の光変調デバイス10側の面に設けられた1/4波長板225によって円偏光に変換されて光変調デバイス10に入射される。
【0085】
光変調デバイス10を構成するミラー要素20の反射膜で反射した光は、入射光の円偏光とは反対方向に偏光する円偏光となり、1/4波長板225で今度はP偏光となって第3のビームスプリッタ224に入射される。このP偏光は第3のビームスプリッタ224で反射されることなく原理的には全て透過されて投影レンズ230に到達する。
【0086】
以上述べたように、光源から出た光の振動方向を揃えることによって、ハーフミラーを用いた場合のような光のロスがなく、光源から放射されるエネルギを原理的にロスなくスクリーンに導くことができる。すなわち、明るい表示が可能な表示装置を構成することができる。
【0087】
図10には、他の実施形態の表示装置の構成を示す。この表示装置では、遮光ドットアレイ100を有さず且つ各ミラー要素20が駆動された場合に凸面鏡として作用する光変調デバイス10Aを用いると共に図11の装置の第3の偏光ビームスプリッタ224と投影レンズ230との間に、第3のビームスプリッタ224を透過する所定の発散光は投影レンズ230に透過するが、平行光は遮断するレンズ250及び微小ミラー251を設けたものである。なお、投影レンズ230は所定の発散光でレンズ250を通過した光をスクリーン240に結像するものである。
【0088】
かかる構成では、光変調デバイス10Aの変形していないミラー要素20Aに入射した光は平行光のまま反射されてレンズ250に到達するが、この光は、レンズ250の焦点近傍に配置された微小ミラー251に集光されて発散され、スクリーン240には到達しない。一方、変形したミラー素子20Bに入射された光は仮想光源260から出ているような発散光としてレンズ250に到達するので、微小ミラー251に遮られることなく投影レンズ230に到達し、投影レンズ230によりスクリーン240に結像される。
【0089】
なお、以上の説明では表示装置としては一枚の光変調デバイスを用いた表示装置を説明したが、従来から知られているように、3枚の光変調デバイスを用い、それぞれの光変調デバイスが赤、緑、青それぞれの光を変調し、その変調光を色合成して投写するカラー表示装置としても本発明を用いることができることはいうまでもない。
【0090】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明ではミラー要素を構成する圧電素子の第1及び第2の電極のそれぞれを圧電素子の対角線上に設けられた各貫通孔から延設した第1及び第2の延設部によって基板上に支持固定するようにした。これにより、圧電素子の端部が自由端となり変形効率が向上すると共に、ミラー要素の反射面の面積を大きくすることができ、効率よく入射光を変調させることができる。
【0091】
また、圧電素子を変形させて入射光を反射するため、アナログ的なミラー傾斜角の制御ができ、高階調な画像を得ることができる。
【0092】
さらに、第1及び第2の電極から延設された第1及び第2の延設部が基板上で駆動素子と電気的に接続されることにより、圧電素子の配線構造を簡略化することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの概略を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの要部上面図及び要部断面図である。
【図3】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態1に係る光変調デバイスの光学系の概略断面図である。
【図6】本発明の実施形態2に係る光変調デバイスの要部上面図である。
【図7】本実施形態の他の実施形態に係る光変調デバイスの光学系の概略断面図である。
【図8】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。
【図9】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。
【図10】本発明の他の実施形態に係る光変調デバイスを用いた表示装置を構成する光学系の概略断面図である。
【符号の説明】
10 光変調デバイス
11 ミラー基板
20 ミラー要素
21,22 貫通孔
30 圧電素子
31 弾性板
32 下電極膜
33 圧電体層
34 上電極膜
41 下電極延設部
42 上電極延設部
50 駆動素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light modulation device and a display device for performing display by modulating incident light by deformation of a mirror.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a light modulation device for modulating and displaying light, for example, a device that modulates incident light by applying a voltage to an electrode provided on a substrate and tilting a mirror by its suction force or the like, There is known a technique in which a mirror is provided on a piezoelectric element in which a piezoelectric layer is sandwiched between a pair of electrode films, and the incident light is modulated by tilting the mirror by deforming the piezoelectric element.
[0003]
In addition, as a method using a piezoelectric element, a mirror film made of a thin film or the like is formed on the surface of a cantilevered piezoelectric element as shown in Japanese Patent Publication No. 9-504387, and the piezoelectric element is deformed. Thus, there has been proposed a technique in which the mirror film is bent to change the direction of incident light.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in any case, a light modulation device using such a piezoelectric element has a cantilever-like structure that supports one end portion in the longitudinal direction of the piezoelectric element. Therefore, there is a problem in that the modulation performance is low because the light is changed in direction by being deformed in only one direction along the direction.
[0005]
In addition, a light modulation device that tilts a mirror by electrostatic attraction force or the like has a problem that it is difficult to obtain a high-gradation image because the mirror is digitally turned on and off.
[0006]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a light modulation device that improves the light collecting performance by increasing the curvature change of the reflecting surface and improves the modulation performance, and a display device using the same. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, a mirror element having a piezoelectric film composed of a piezoelectric layer and first and second electrodes sandwiching the piezoelectric layer and having a mirror film structure for reflecting light, and In the light modulation device having a drive element provided corresponding to the mirror element, the piezoelectric element has at least two through holes penetrating in the thickness direction of the mirror element, and the first and second Each of the electrodes extends to the substrate through the through hole and includes first and second extending portions for supporting the mirror element on the substrate. .
[0008]
In the first aspect, since the piezoelectric element constituting the mirror element is supported by the first and second extending portions and the entire outer edge portion of the mirror element is not fixed, the deformation efficiency of the piezoelectric element is improved.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, at least a part of the first and second extending portions is extended in a direction intersecting with a plane direction of the piezoelectric element. It is in the light modulation device characterized by this.
[0010]
In the second aspect, the mirror element is supported on the surface of the substrate while maintaining a space between the mirror element and the substrate.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the mirror film structure is provided with a communication hole communicating with the through-hole independently from an outer edge portion. It is in.
[0012]
In the third aspect, the mirror film structure effectively reflects light at portions other than the communication hole.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the first and second extending portions are provided one by one in line symmetry with respect to one diagonal line of the mirror element. And the light modulation device is arranged near the center.
[0014]
In the fourth aspect, the piezoelectric element is deformed into a concave surface using the substantially central portion as a fulcrum.
[0015]
A fifth aspect of the present invention is the mirror film structure according to any one of the first to fourth aspects, wherein a voltage is applied to the piezoelectric layer of the piezoelectric element so that a region between the through holes serves as a fulcrum. The light modulation device is characterized in that light incident on the mirror film structure is modulated.
[0016]
In the fifth aspect, since the change in curvature due to the driving of the piezoelectric element becomes large, it is possible to improve the light condensing performance of light incident on the mirror film structure.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the first and second extending portions are electrically connected to the driving element. On the device.
[0018]
In the sixth aspect, since the piezoelectric element and the driving element are electrically connected by the first and second extending portions, the wiring structure is simplified.
[0019]
According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the first and second extending portions form the first and second electrodes on the patterned sacrificial layer. It is in the light modulation device characterized by being formed.
[0020]
In the seventh aspect, the first and second extending portions can be easily formed by using the sacrificial layer.
[0021]
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the surface of the piezoelectric element on the substrate side has an elastic plate and the other surface side has the mirror film structure. It is in the light modulation device characterized by this.
[0022]
In the eighth aspect, since the first and second extending portions are extended on the elastic plate side provided on one surface side of the piezoelectric element, the piezoelectric element is deformed with the elastic plate side as a fulcrum, and the other The mirror film structure in the direction is deformed.
[0023]
According to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect, the mirror film structure of the piezoelectric element is configured by the second electrode on the other surface side or a reflective film provided on the second electrode. In the light modulation device characterized.
[0024]
In the ninth aspect, the second electrode or the reflective film of the piezoelectric element reflects light.
[0025]
A tenth aspect of the present invention is the light modulation device according to any one of the first to ninth aspects, wherein the driving element is a transistor provided on the substrate.
[0026]
In the tenth aspect, the piezoelectric element of each mirror element is driven via a transistor provided on the substrate.
[0027]
According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a light modulation device according to any one of the first to tenth aspects, a light source, light from the light source incident on the light modulation device, and the piezoelectric element of the light modulation device. An optical system that emits only one of driving and non-driving is provided.
[0028]
In the eleventh aspect, a display device that can be reduced in size and saved in space can be realized by using a light modulation device in which the change in curvature of the mirror film structure is increased to improve the light collecting performance.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0030]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the light modulation device according to the first embodiment, and FIG. 2 is a top view and a cross-sectional view showing one mirror element thereof.
[0031]
As shown in FIG. 1, the light modulation device 10 of this embodiment includes, for example, a mirror substrate 11 formed of a silicon (Si) substrate having a thickness of 500 μm and a two-dimensional array on the mirror substrate 11. The mirror element 20 is provided.
[0032]
These mirror elements 20 are provided, for example, in a two-dimensional array of 1280 × 1024 elements. For example, as shown in FIG. 2, the lower electrode film 32, the piezoelectric layer 33, and the upper layer formed on the elastic plate 31 are provided. A piezoelectric element 30 having an electrode film 34 is included. In the present embodiment, the upper electrode film 34 constituting the piezoelectric element 30 also serves as a reflective film that reflects incident light. Of course, a reflective film may be provided separately from the upper electrode film 34.
[0033]
Further, the surface of each mirror element 20 has, for example, a substantially square shape with a side of about 20 μm, and in this embodiment, a rectangular penetration that penetrates in the thickness direction is provided on one side of the mirror element 20 on the diagonal line. The holes 21 and 22 are provided so as to be line symmetric with respect to the other diagonal line of the mirror element 20.
[0034]
Each of the lower electrode film 32 and the upper electrode film 34 constituting the piezoelectric element 30 of each mirror element 20 has a mirror substrate 11 having substantially the same width as one side of the through holes 21 and 22 from the through holes 21 and 22 of the piezoelectric element 30. A lower electrode extending portion 41 and an upper electrode extending portion 42 extending to the top are provided. The lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42 are partially extended in a direction intersecting the plane direction of the piezoelectric element 30, and a space is provided between the mirror element 20 and the mirror substrate 11. Supports in a held state. That is, these mirror elements 20 are deformed with the region between the through holes 21 and 22 as a fulcrum. The mirror substrate 11 is provided with a driving element 50 such as a transistor for driving the piezoelectric element 30 corresponding to each piezoelectric element 30. The lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42 are , And each drive element 50 is electrically connected.
[0035]
Here, the widths of the lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42 are not particularly limited, but in order to improve the deformation efficiency of the piezoelectric element 30, the mirror element 20 is made thin enough to be supported and fixed. It is preferable. Further, the film thickness of the lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42, that is, the lower electrode film 32 and the upper electrode film 34 is not particularly limited as long as the mirror element 20 can be supported and fixed. It may be determined appropriately in consideration of the distortion of the above.
[0036]
Further, the size of the opening of the through holes 21 and 22 in which the lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42 are extended does not contact at least the lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42. The opening area is not particularly limited, but it is preferable to make the opening area as small as possible in order to increase the area of the reflecting surface. In addition, since the deformation amount, deformation direction, and the like of the mirror element 20 change depending on the distance between the through holes 21 and 22, it is necessary to appropriately determine the positions of the through holes 21 and 22 in consideration of these.
[0037]
Moreover, although the manufacturing method of such a light modulation device 10 of this embodiment is not specifically limited, In this embodiment, it manufactured with the following processes. 3 and 4 are cross-sectional views showing a method for manufacturing the light modulation device of this embodiment.
[0038]
First, as shown in FIG. 3A, a drive element 50 made of a predetermined transistor is formed on a silicon substrate by a semiconductor process, and this is used as a mirror substrate 11. A sacrificial layer 60 is formed on the mirror substrate 11. The material of the sacrificial layer 60 is not particularly limited. For example, polysilicon or phosphorus-doped silicon oxide (PSG) is preferably used. In this embodiment, PSG having a relatively high etching rate is used.
[0039]
Next, as shown in FIG. 3B, the elastic plate 31 is formed on the sacrificial layer 60. The elastic plate 31 is patterned in a region corresponding to each drive element 50 to form elastic plate removing portions 31a and 31b. The material of the elastic plate 31 is a material that can be elastically deformed and has a predetermined rigidity, and is not particularly limited as long as it is a material that is not removed when the sacrificial layer 60 is etched in a later step. In this embodiment, after forming the zirconium layer, the elastic plate 31 made of zirconium oxide is formed by thermal oxidation in a diffusion furnace at 500 to 1200 ° C., for example.
[0040]
Next, as shown in FIG. 3C, the sacrificial layer 60 is etched from one elastic plate removing portion 31 a of the elastic plate 31 to the surface of the mirror substrate 11, so that the mirror substrate is formed in a region corresponding to the through hole 21. A sacrificial layer removing portion 61 exposing 11 was formed.
[0041]
Next, as shown in FIG. 3D, the lower electrode film 32 is formed over the entire surface of the sacrificial layer 60 and patterned. That is, the lower electrode film 32 formed on the bottom and one side wall of the sacrificial layer removing portion 61 is left as the lower electrode extending portion 41. The lower electrode extension portion 41 supports the mirror element 20 in a state where a space is maintained between the mirror element 20 and the mirror substrate 11 after the sacrificial layer 60 is completely removed in a later step.
[0042]
As a material of the lower electrode film 32, platinum or the like is suitable. As described later, when the piezoelectric layer 33 is formed by sputtering or a sol-gel method as described later, it is necessary to perform crystallization by firing at a temperature of about 600 to 1000 ° C. in an air atmosphere or an oxygen atmosphere after film formation. Because there is. That is, the material of the lower electrode film 32 must be able to maintain conductivity at such a high temperature and in an oxidizing atmosphere, particularly when lead zirconate titanate (PZT) is used as the piezoelectric layer 33. It is desirable that the change in conductivity due to diffusion of lead oxide (PbO) is small. For these reasons, in this embodiment, the lower electrode film 32 is formed by forming platinum by a sputtering method.
[0043]
Next, as shown in FIG. 4A, the piezoelectric layer 33 is formed over the entire surface of the sacrificial layer 60, and the piezoelectric layer in a region corresponding to the sacrificial layer removing unit 61 and the elastic plate removing unit 31b. 33 is removed, and through holes 21 and 22 are formed.
[0044]
The material of the piezoelectric layer 33 is preferably a lead zirconate titanate (PZT) -based material. In this embodiment, a so-called sol obtained by melting and dispersing a metal organic substance in a catalyst is applied and dried to be gelled, and further at a high temperature. It was formed using a so-called sol-gel method in which a piezoelectric layer 33 made of a metal oxide was obtained by firing. In addition, the film-forming method of this piezoelectric material layer 33 is not specifically limited, For example, you may form by sputtering method.
[0045]
Furthermore, after forming a lead zirconate titanate precursor film by a sol-gel method or a sputtering method, a method of crystal growth at a low temperature by a high-pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0046]
In any case, the piezoelectric layer 33 formed in this way has crystals preferentially oriented unlike the bulk piezoelectric body, and in this embodiment, the piezoelectric layer 33 is formed in a columnar shape. Has been. Note that the preferential orientation refers to a state in which the orientation direction of the crystal is not disordered and a specific crystal plane is oriented in a substantially constant direction. A columnar thin film refers to a state in which substantially cylindrical crystals are aggregated over the surface direction with the central axis substantially coincided with the thickness direction to form a thin film. Of course, it may be a thin film formed of preferentially oriented granular crystals. Note that the thickness of the piezoelectric layer manufactured in this way in the thin film process is generally 0.2 to 5 μm.
[0047]
Next, as shown in FIG. 4B, the sacrifice layer 60 is exposed from the elastic plate removing portion 31 b to the surface of the mirror substrate 11 to expose the mirror substrate 11 in a region corresponding to the through hole 22. The removal part 62 was formed.
[0048]
Next, as shown in FIG. 4C, the upper electrode film 34 is formed over the entire surface of the sacrificial layer 60 and patterned. That is, the upper electrode film 34 formed on the bottom and one side wall of the sacrificial layer removing portion 62 is left as the upper electrode extending portion 42 and the contact portion with the lower electrode film 32 is removed. The upper electrode extending portion 42 supports the mirror element 20 in a state where the mirror element 20 and the mirror substrate 11 are kept in a space after the sacrificial layer 60 is completely removed in a later step.
[0049]
In the region between the through holes 21 and 22, the piezoelectric layer 33 is sandwiched between the lower electrode film 32 communicating with the lower electrode extending portion 41 and the upper electrode film 34 communicating with the upper electrode extending portion 42. The formed piezoelectric element 30 is formed. In addition, the end of the lower electrode film 32 on the lower electrode extension portion 41 side in this region is covered with the piezoelectric layer 33 to ensure insulation from the upper electrode extension portion 42.
[0050]
The upper electrode film 34 only needs to be a highly conductive material, and many metals such as aluminum, gold, nickel, and platinum, conductive oxides, and the like can be used. In the present embodiment, since the upper electrode film 34 also serves as a reflective film, a material having high reflectivity, for example, aluminum (Al) or silver (Ag) is formed by sputtering to form the upper electrode film 34.
[0051]
Next, as shown in FIG. 4D, the sacrificial layer 60 is removed by etching. In this embodiment, since PSG is used as the material of the sacrificial layer 60, etching can be performed with hydrofluoric acid or a mixed aqueous solution of ammonium fluoride and ammonium monohydrogen difluoride.
[0052]
Thus, the light modulation device 10 of the present embodiment in which the mirror element 20 is supported and fixed with the space between the lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42 supported by the mirror substrate 11. Is manufactured.
[0053]
Here, the operation of the light modulation device of the present embodiment formed as described above will be described. FIG. 5 is a diagram schematically showing the light modulation device of this embodiment and the optical path of light irradiated on the light modulation device.
[0054]
The light modulation device 10 modulates light by deforming the mirror element 20. In this embodiment, the mirror element 20 is substantially flat when no voltage is applied to the piezoelectric element 30. When a voltage is applied to the piezoelectric element 30 by switching of the driving element 50, the piezoelectric layer 33 of the piezoelectric element 30 contracts in the in-plane direction, and the mirror element 20 uses the region between the support portions as a fulcrum as a mirror substrate. The upper electrode film 34 is formed as a concave mirror.
[0055]
In addition, the light modulation device 10 according to the present embodiment includes a light-shielding dot array 100 at a position facing the mirror element 20, for example, as shown in FIG. The light-shielding dot array 100 is made of, for example, a transparent substrate such as glass, and light-shielding dots 101 are provided to face each mirror element. The light shielding dots 101 are made of a light absorber, and examples thereof include carbon black, black pigment, and black dye dispersed in a resin. The light-shielding dot array 100 is provided in the vicinity of the focal point of the mirror element 20B in which each light-shielding dot 101 is deformed. For example, in the configuration of the present embodiment, since the deformation amount of the mirror element 20 is 0.2 μm, the light shielding dots 101 are provided at a distance of about 0.2 mm from each mirror element 20.
[0056]
In such a configuration, in the state where no voltage is applied to the piezoelectric element 30, the incident light 90 enters the upper electrode film 32 that also serves as the reflection film of the mirror element 20 </ b> A, so that the incident light 90. Is emitted in substantially the same optical path as the incident optical path. On the other hand, when the voltage is applied to the piezoelectric element 30 by the driving element 50, the mirror element 20 is deformed to become a concave mirror, and therefore after being reflected, the mirror element 20B is condensed in the focal direction of the deformed mirror element 20B. In this embodiment, since the light shielding dots 101 are provided in the vicinity of the focal point of the deformed mirror element 20 as described above, the incident light 90 is reflected and then condensed on the light shielding dots 101 to return to the incident direction. There is no. That is, when such a light modulation device 10 is used for a display device or the like, the ON / OFF control of the incident light 90 can be easily performed without applying a voltage to the piezoelectric element 30. In the above-described example, the piezoelectric element 30 is turned on when it is not deformed, and is turned off when it is deformed. Of course, the piezoelectric element 30 can be set to be reversed.
[0057]
In the light modulation device of the present embodiment described above, the area of the reflection surface that reflects incident light can be increased as compared with the light modulation device having a conventional structure. That is, the aperture ratio of the reflection surface is large, and the reflection efficiency can be improved. Further, since the incident light is reflected by deforming the piezoelectric element, the analog mirror tilt angle can be controlled, and a high gradation image can be obtained. Furthermore, since the lower electrode extending portion and the upper electrode extending portion are electrically connected to the driving element on the mirror substrate, the wiring structure of the piezoelectric element can be simplified.
[0058]
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a top view of the light modulation device according to the second embodiment.
[0059]
In the present embodiment, two lower electrode extending portions 41 and two upper electrode extending portions 42 are provided. As shown in FIG. 6, two through holes 21 are formed along each diagonal line of the mirror element 20 </ b> C. Are provided adjacent to each other, and through holes 22 are provided at positions opposite to the respective through holes 21. Except that the respective lower electrode extending portions 41 and upper electrode extending portions 42 are formed in regions facing the through holes 21 and 22, and the mirror element 20C is supported and fixed at four locations, the embodiment 1 It is the same.
[0060]
In such a configuration of the present embodiment, since the through holes 21 and 22 have a substantially equal distance with respect to all outer edge portions of the substantially square-shaped piezoelectric element 30, the lower electrode 32 and the upper electrode When a voltage is applied to 34 to deform the piezoelectric film 33, the mirror element 20D becomes a concave mirror having a substantially uniform curved surface. Therefore, the mirror element 20 has a high degree of concentration of the reflected light. Further, since the number of the lower electrode extending portions 41 and the upper electrode extending portions 42 for supporting and fixing the mirror element 20 is doubled, the rigidity of each lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42 is reduced. Can do. In other words, the widths of the lower electrode extending portions 41 and the upper electrode extending portions 42 can be formed narrow. From this, since the opening area of the through-holes 21 and 22 can be made small, while the deformation amount of the mirror element 20 becomes large, the condensing degree can be improved.
[0061]
The positions of the through holes 21 and 22 are not particularly limited. For example, the two through holes 21 are provided so as to be symmetrical with respect to the other diagonal along one diagonal of the mirror element 20C. The two through holes 22 may be provided along the other diagonal line so as to be symmetrical with respect to the diagonal line provided with the through hole 21.
[0062]
Moreover, the electrode extended from each through-hole 21 and 22 is not specifically limited, For example, among the four through-holes 21 and 22, the lower electrode 32 is extended from one through-hole, and the lower electrode is extended. Even if the portion 41 is formed, and the upper electrode 34 is formed by extending the upper electrode 34 from the remaining three through holes, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.
[0063]
(Other embodiments)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the light modulation device of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but in any case, the curvature change of the reflecting surface is increased, and the area of the reflecting surface is increased. Is increased, the light collecting performance is improved.
[0064]
In the embodiment described above, the mirror element 20 is substantially square, but is not limited thereto, and may be any shape such as a polygon or a circle.
[0065]
In the above-described embodiment, the upper electrode film 34 that also serves as a reflective film acts as a concave mirror. However, the present invention is not limited to this, and the film forming conditions and the like may be appropriately adjusted so as to act as a convex mirror. .
[0066]
Furthermore, in the above-described embodiment, the through holes 21 and 22 are rectangular. However, the shape and size of the through holes 21 and 22 are not particularly limited, and may be any shape such as a polygon or a circle. Good. In addition, the through holes 21 and 22 may be long holes. In this case, the portions extending in the plane direction of the lower electrode extending portion 41 and the upper electrode extending portion 42 have a long structure.
[0067]
Below, the structural example of the light modulation device using other than the light-shielding dot array and the structural example at the time of making it act as a convex mirror are shown. The present invention has the effect of eliminating the need for a special optical system that condenses incident light on the reflecting surface by improving the condensing performance, but an optical system that condenses incident light may be used. Shows such a configuration.
[0068]
FIG. 7 shows a schematic configuration of a light modulation device provided with a pinhole array 110 and a microlens array 120 instead of the light-shielding dot array 100 described above. Here, the pinhole array 110 has a pinhole 111 at a position facing each mirror element 20, and each microlens array 120 has a convex lens 121 at a position facing each mirror element 20. Each pinhole 111 of the pinhole array 110 is provided near the focal point of the deformed mirror element 20B.
[0069]
In such a light modulation device, the light incident on the deformed mirror element 20B returns through the pinhole 111 of the pinhole array 110, but the light incident on the undeformed mirror element 20A is a light shielding portion of the pinhole array 110. Blocked at 112. That is, in this example, contrary to the above-described example, the case where the mirror element 20 is deformed is ON, and the case where it is not deformed is OFF.
[0070]
Note that even if the mirror element 20 is convexly deformed to the side opposite to the mirror substrate 11 and acts as a convex mirror, a light modulation device can be obtained. An example of a display device using such a light modulation device will be described later.
[0071]
In each of the embodiments described above, it is considered that when the piezoelectric element 30 is deformed, the mirror substrate 11 facing the piezoelectric element 30 is charged, and the deformation of the piezoelectric element 30 may be hindered by electrostatic force. . Therefore, in order to solve such a problem, in addition to the above-described configuration, the mirror substrate 11 facing the lower electrode film 32 or the upper electrode film 34 of the piezoelectric element 30 is further replaced with the lower electrode film 32 or the upper surface facing each other. The potential may be substantially the same as that of the electrode film 34. That is, when the opposing electrodes are grounded by the common electrode, the mirror substrate 11 is also grounded. Thereby, charging due to the potential difference between the electrode of the piezoelectric element 30 and the mirror substrate 11 does not occur, deformation of the mirror element 20 is not hindered, and a decrease in the displacement amount of the mirror element 20 can be suppressed.
[0072]
Further, for example, a counter electrode is provided on a mirror substrate facing the lower electrode film 32 or the upper electrode film 34, and the deformation of the piezoelectric element 30 is assisted between the counter electrode and the lower electrode film 32 or the upper electrode film 34. A voltage may be applied so that an electrostatic force is generated in the direction in which it is generated. In such a configuration, the amount of displacement of the mirror element 20 can be further increased, the light collection rate can be further increased, and the SN ratio can be improved.
[0073]
The light modulation device of the present invention having each configuration described above is used as a part of a display device, for example.
[0074]
8 to 10 show an example of a display device using the light modulation device of the present invention. 8 to 10 are schematic cross-sectional views of an optical system constituting the display device, and a lens, a light modulation device, and the like are greatly simplified.
[0075]
The display device shown in FIG. 8 includes a metal halide lamp 210 that is a light source and a reflector 211 having a radiation surface shape, a half mirror 220 that makes light from the metal halide lamp 210 incident on the light modulation device 10, and an output from the light modulation device 10. A projection lens 230 that forms an image of incident light and a screen 240 that displays an image formed by the projection lens 230 are provided.
[0076]
Such a display device has a metal halide lamp 210 that is a light source, and light emitted from the metal halide lamp 210 is reflected by the reflector 211 to be incident on the half mirror 220 and reflected by the half mirror 220. Is incident on the light modulation device 10. The half mirror 220 may be a cube type half prism.
[0077]
Among the mirror elements 20 constituting the light modulation device 10, the mirror element 20B that is driven and deformed via the drive element 50 functions as a concave mirror, and the light incident on the deformed mirror element 20B is reflected and shielded. It is condensed toward the dots 101 and does not return to the half mirror 220 direction. On the other hand, the light incident on the undeformed mirror element 20A is reflected and imaged on the screen 240 which is an image plane by the projection lens 230.
[0078]
With the configuration of the optical system as described above, each mirror element 20 constituting the light modulation device 10 corresponds to a pixel on the screen 240, and the mirror element 20 is turned on and off, that is, not deformed or deformed. The display image on the screen 240 can be changed.
[0079]
As the screen 240, a reflective screen or a transmissive screen can be used.
[0080]
In the optical system shown in FIG. 8, only about half of the light emitted from the light source 210 illuminates the light modulation device 10 by the half mirror 220, and the other half is wasted through the half mirror 220. Light. Furthermore, only half of the light reflected by the light modulation device 10 passes through the half mirror 220 and travels toward the projection lens 230. That is, the light that reaches the screen 240 from the light source is attenuated to about ¼ of the light emitted from the light source 210 even if ideally estimated that there is no loss in the middle.
[0081]
In the display device shown in FIG. 9, the energy radiated from the light source is guided to the screen 240 in principle without loss by using three polarizing beam splitters 221, 222, and 224 instead of the half mirror 220. .
[0082]
As shown in the drawing, light emitted from a metal halide lamp 210 as a light source is reflected by a parabolic reflector 211 and converted into substantially parallel light, and enters a first polarization beam splitter 221. Hereinafter, it is assumed that the polarization beam splitter 221 transmits P-polarized light and reflects S-polarized light.
[0083]
Since the light emitted from the light source 210 is natural light whose vibration direction is in a random direction, the P-polarized component (indicated by p in the figure) is transmitted through the first polarizing beam splitter 221 and the S-polarized component ( Is reflected). The reflected S-polarized component light enters the adjacent second polarizing beam splitter 222, is reflected there, and exits the second polarizing beam splitter 222 as S-polarized light. On the other hand, the P-polarized light transmitted through the first polarizing beam splitter 221 is converted into S-polarized light by the half-wave plate 223 provided on the exit surface of the first beam splitter 221. Therefore, the light incident on the third polarizing beam splitter 224 is aligned with the S-polarized light.
[0084]
All of the light incident on the third polarization beam splitter 224 as S-polarized light is reflected in the direction of the light modulation device 10, but 1 provided on the surface of the third polarization beam splitter 224 on the light modulation device 10 side. The light is converted into circularly polarized light by the / 4 wavelength plate 225 and is incident on the light modulation device 10.
[0085]
The light reflected by the reflecting film of the mirror element 20 constituting the light modulation device 10 becomes circularly polarized light that is polarized in the opposite direction to the circularly polarized light of the incident light, and this time becomes P-polarized light by the quarter wavelength plate 225. 3 is incident on the beam splitter 224. In principle, all the P-polarized light is transmitted without reaching the projection lens 230 without being reflected by the third beam splitter 224.
[0086]
As described above, by aligning the vibration direction of the light emitted from the light source, there is no loss of light as in the case of using a half mirror, and the energy emitted from the light source is guided to the screen without any loss in principle. Can do. That is, a display device capable of bright display can be configured.
[0087]
FIG. 10 shows a configuration of a display device according to another embodiment. This display device uses the light modulation device 10A that does not have the light-shielding dot array 100 and acts as a convex mirror when each mirror element 20 is driven, and the third polarizing beam splitter 224 and the projection lens of the device of FIG. A predetermined divergent light that passes through the third beam splitter 224 is transmitted to the projection lens 230 between the lens 250 and the minute mirror 251 that blocks parallel light. The projection lens 230 forms an image on the screen 240 with light that has passed through the lens 250 with a predetermined divergent light.
[0088]
In such a configuration, the light incident on the undeformed mirror element 20 </ b> A of the light modulation device 10 </ b> A is reflected as parallel light and reaches the lens 250, but this light is a minute mirror disposed in the vicinity of the focal point of the lens 250. The light is condensed and diverged by 251 and does not reach the screen 240. On the other hand, since the light incident on the deformed mirror element 20B reaches the lens 250 as divergent light emitted from the virtual light source 260, the light reaches the projection lens 230 without being blocked by the minute mirror 251 and is projected. As a result, an image is formed on the screen 240.
[0089]
In the above description, a display device using one light modulation device has been described as the display device. However, as conventionally known, three light modulation devices are used, and each light modulation device is It goes without saying that the present invention can also be used as a color display device that modulates red, green, and blue light, and color-synthesizes and projects the modulated light.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, each of the first and second electrodes of the piezoelectric element constituting the mirror element is extended from each through hole provided on the diagonal line of the piezoelectric element. It was made to support and fix on a board | substrate by an installation part. Thereby, the end portion of the piezoelectric element becomes a free end, the deformation efficiency is improved, the area of the reflection surface of the mirror element can be increased, and incident light can be efficiently modulated.
[0091]
Further, since the incident light is reflected by deforming the piezoelectric element, the analog mirror tilt angle can be controlled, and a high gradation image can be obtained.
[0092]
Furthermore, the wiring structure of the piezoelectric element can be simplified by electrically connecting the first and second extending portions extending from the first and second electrodes to the driving element on the substrate. There is an effect that can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a light modulation device according to a first embodiment of the invention.
FIGS. 2A and 2B are a top view and a cross-sectional view of a main part of the light modulation device according to the first embodiment of the invention. FIGS.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light modulation device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light modulation device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an optical system of the light modulation device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a top view of main parts of an optical modulation device according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an optical system of a light modulation device according to another embodiment of the present embodiment.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an optical system constituting a display device using a light modulation device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an optical system constituting a display device using a light modulation device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an optical system constituting a display device using a light modulation device according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Light modulation device
11 Mirror substrate
20 mirror elements
21, 22 Through hole
30 Piezoelectric elements
31 Elastic plate
32 Lower electrode membrane
33 Piezoelectric layer
34 Upper electrode film
41 Lower electrode extension
42 Upper electrode extension
50 Drive elements

Claims (2)

圧電体層及びこれを挟持する第1及び第2の電極からなる圧電素子を有すると共に光を反射するミラー膜構造を有するミラー要素と、該ミラー要素に対応して設けられた駆動素子とを有する光変調デバイスにおいて、
前記圧電素子は、前記ミラー要素の厚さ方向に貫通した貫通孔を少なくとも2つ有し、前記第1及び第2の電極は、それぞれ前記貫通孔を介して基板上まで延設されると共に前記ミラー要素を前記基板上に支持する第1及び第2の延設部を具備することを特徴とする光変調デバイス。
A mirror element having a piezoelectric film composed of a piezoelectric layer and first and second electrodes sandwiching the piezoelectric layer and having a mirror film structure for reflecting light; and a drive element provided corresponding to the mirror element. In the light modulation device,
The piezoelectric element has at least two through holes penetrating in the thickness direction of the mirror element, and the first and second electrodes are respectively extended to the substrate through the through holes and An optical modulation device comprising first and second extending portions for supporting a mirror element on the substrate.
請求項1記載の光変調デバイスと、光源と、この光源からの光を前記光変調デバイスに入射すると共に当該光変調デバイスの前記圧電素子の駆動時又は非駆動時の何れか一方のみを出射する光学系とを具備することを特徴とする表示装置。  The light modulation device according to claim 1, a light source, and light from the light source is incident on the light modulation device and emits only one of the piezoelectric element of the light modulation device when driven or not driven. A display device comprising: an optical system.
JP22206899A 1999-08-05 1999-08-05 Light modulation device and display device Expired - Fee Related JP3800288B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22206899A JP3800288B2 (en) 1999-08-05 1999-08-05 Light modulation device and display device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22206899A JP3800288B2 (en) 1999-08-05 1999-08-05 Light modulation device and display device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2001051212A JP2001051212A (en) 2001-02-23
JP3800288B2 true JP3800288B2 (en) 2006-07-26

Family

ID=16776620

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP22206899A Expired - Fee Related JP3800288B2 (en) 1999-08-05 1999-08-05 Light modulation device and display device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3800288B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4510429B2 (en) * 2003-11-19 2010-07-21 財団法人国際科学振興財団 Mask drawing method and mask drawing apparatus
US7016014B2 (en) * 2004-02-27 2006-03-21 Asml Netherlands B.V Lithographic apparatus and device manufacturing method
JP2012226302A (en) * 2011-12-21 2012-11-15 Pioneer Electronic Corp Light source unit and headup display
CN113820850B (en) * 2021-08-23 2023-08-11 中国科学院光电技术研究所 MEMS micro-shutter array device integrated with spherical reflector

Also Published As

Publication number Publication date
JP2001051212A (en) 2001-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5848504B2 (en) Optical deflector
JP3800288B2 (en) Light modulation device and display device
JP3800292B2 (en) Light modulation device and display device
JP3800287B2 (en) LIGHT MODULATION DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND DISPLAY DEVICE
JP3800290B2 (en) Light modulation device and display device
JP3800289B2 (en) LIGHT MODULATION DEVICE, DISPLAY DEVICE, AND LIGHT MODULATION DEVICE MANUFACTURING METHOD
JP2001004932A (en) Optical modulation device and display device
JPH11142753A (en) Manufacture of deformable mirror device
JP2001013425A (en) Light modulation device and display device
JP2001056441A (en) Optical modijlation device and its driving method, and display device and its manufacture
KR100237341B1 (en) Thin film actuated mirror array and its manufacturing method
JP3887424B2 (en) Thin film type optical path adjusting device and manufacturing method thereof
JP2001013428A (en) Light modulation device and display device
KR100262736B1 (en) Apparatus of actuated mirror arrays
KR100233997B1 (en) Light path apparatus and its fabrication method
KR100233370B1 (en) Thin film actuated mirror array with large deformable actuator and its fabrication method
KR100262735B1 (en) Fabricating method of actuated mirror arrays
KR0131569B1 (en) Optical path regulating apparatus for projector
KR100248493B1 (en) Manufacturing method of tma
KR100248488B1 (en) Method of manufacturing tma
KR100258118B1 (en) Improved actuated mirror arrays and a method fabricating method thereof
KR100255751B1 (en) Tma having enhanced driving angle
KR100209945B1 (en) An actuated mirror arrays having large deformable actuators therein
KR100247592B1 (en) Tma manufacturing method
KR100251107B1 (en) Thin film type light-path controlling device and its fabrication method

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050201

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051109

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060105

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060405

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060418

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100512

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110512

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120512

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130512

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140512

Year of fee payment: 8

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees