JP3800289B2

JP3800289B2 - 光変調デバイス及び表示装置並びに光変調デバイスの製造方法

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Publication number: JP3800289B2
Application number: JP23541399A
Authority: JP
Inventors: 宏行亀井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2019-08-23
Also published as: JP2001059943A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射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並びに光変調デバイスの駆動方法及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
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、その静電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、圧電素子を駆動することによりミラー膜を屈曲させて入射光を一方向に集光させることにより変調しているため、変調効率が悪いという問題がある。
【０００５】
また、より細かい映像を投影するために一画素毎に入射光を階調させる場合があるが、従来の光変調デバイスでは、一画素内の圧電素子が一つであるため、圧電素子に印加する電圧を変化すれば可能であるが、制御系が煩雑になるという問題がある。
【０００６】
また、特開平８−２３５００号公報に見られるように、一画素内に複数のミラーを設けて入射光を階調するものも提案されているが、２対の静電吸着電極を用いて１つのミラーを傾斜させるいわゆる静電型の光変調デバイスであり、各ミラーの駆動にはそれぞれ２つのドライバが必要となり、高密度にミラーを配置することが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、変調効率を高めると共に、一画素毎に比較的容易に階調することのできる光変調デバイス及び表示装置並びに光変調デバイスの駆動方法及び製造方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【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の電極と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、前記ミラー要素が一画素内に複数個設けられると共に前記各圧電素子が一画素を構成する領域の周縁部分に対向する端部で支持部を介して基板上に片持ち梁状態で支持されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【０００９】
かかる第１の態様では、各画素内の複数個のミラー要素によって、入射光を各画素の外側に向かって分散して偏向することができ、変調効率が向上する。また、一画素内の複数のミラー要素を個別に選択的に駆動することにより比較的容易に階調することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、一画素内に設けられた複数の前記ミラー要素は、前記圧電素子の前記支持部とは面方向に相対向する領域で相互に分割されるように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。
【００１１】
かかる第２の態様では、各画素に入射する入射光を２方向以上に分散して偏向することができ、より確実に変調効率が向上する。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記圧電素子は前記基板側の一方面側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。
【００１３】
かかる第３の態様では、圧電素子の一方側に設けられた弾性板の端部に支持部が設けられているので、この支持部に対応する部分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。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記支持部は少なくとも前記弾性板及び前記圧電素子の一方の電極からなることを特徴とする光変調デバイスにある。
【００１５】
かかる第４の態様では、弾性板及び圧電素子の電極を圧電素子に対向する領域から連続的に形成することにより、支持部を比較的容易に形成される。
【００１６】
本発明の第５の態様は、１〜４の何れかの態様において、前記圧電素子の前記ミラー膜構造は、前記支持部とは反対面側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。
【００１７】
かかる第５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。
【００１８】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記基板はＣ−ＭＯＳトランジスタが形成された基板であり、前記駆動素子がＣ−ＭＯＳ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。
【００１９】
かかる第６の態様では、基板に形成されたＣ−ＭＯＳ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。
【００２０】
本発明の第７の態様は、第１〜６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反射光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。
【００２１】
かかる第７の態様では、変調効率を向上した光変調デバイスを用いることにより、より鮮明な映像を投影できるとともに小型、省スペース化を可能とした表示装置が実現できる。
【００２２】
本発明の第８の態様は、圧電体層及びこれを挟持する第１及び第２の電極と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し、前記ミラー要素が一画素内に複数個設けられると共に前記各圧電素子が一画素を構成する領域の周縁部分に対向する端部で支持部を介して基板上に片持ち梁状態で支持された光変調デバイスの駆動方法であって、各画素内に設けられた複数の前記ミラー要素を構成する前記各圧電素子の少なくとも一つに選択的に電圧を印加することを特徴とする光変調デバイスの駆動方法にある。
【００２３】
かかる第８の態様では、各画素に入射する入射光を比較的容易に階調できる。
【００２４】
本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記各画素内に設けられた複数の前記ミラー要素を構成する前記各圧電素子を個別に選択的に電圧を印加して駆動させることにより、各画素からの出射光をデジタル的に複数段階に階調することを特徴とする光変調デバイスの駆動方法にある。
【００２５】
かかる第９の態様では、各圧電素子を個別に選択的にオン、オフするのみで、各画素からの出射光を容易に階調できる。
【００２６】
本発明の第１０の態様は、第８又は９の態様において、前記各画素内に設けられた複数の前記ミラー要素を構成する前記各圧電素子に印加する電圧を変化させて前記各ミラー要素の変形量を制御することにより、各画素からの出射光をアナログ的に階調させることを特徴とする光変調デバイスの駆動方法にある。
【００２７】
かかる第１０の態様では、各画素からの出射光を無段階で階調することができ、より鮮明な映像を投影できる。
【００２８】
本発明の第１１の態様は、圧電体層及びこれを挟持する第１及び第２の電極と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し、前記ミラー要素が一画素内に複数個設けられると共に前記各圧電素子が一画素を構成する領域の周縁部分に対向する端部で支持部を介して基板上に片持ち梁状態で支持された光変調デバイスの製造方法であって、前記基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に犠牲層を成膜すると共に各画素内の前記圧電素子毎にパターニングする工程と、前記犠牲層の表面に沿って弾性板を形成後前記各圧電素子に対向する領域にパターニングする工程と、前記弾性板上に前記第１の電極、前記圧電体層及び前記第２の電極を順次積層すると共にパターニングして前記圧電素子を形成する工程と、前記第１の電極、前記弾性板及び前記絶縁膜をパターニングして前記駆動素子を露出する接続孔を形成する工程と、前記接続孔を介して前記第２の電極と前記駆動素子とを接続する配線電極兼反射膜を層間絶縁膜を介してパターン形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを有することを特徴とする光変調デバイスの製造方法にある。
【００２９】
かかる第１１の態様では、各画素内に複数のミラー要素を比較的容易に形成することができる。
【００３０】
【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。
【００３１】
（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、その一画素内のミラー要素を示す上面図及び断面図である。
【００３２】
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）基板等からなるミラー基板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とからなる。
【００３３】
各ミラー要素２０は、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と、この圧電素子３０の上電極膜３４上に略全面に亘って設けられた反射膜３５とを有する。このミラー要素２０の表面は略矩形を有し、その一方の端部には、その一辺全体に亘って支持部２１が設けられている。すなわち、ミラー要素２０はこの支持部２１を介してミラー基板１１との間に所定の空間を保持した状態でミラー基板１１上に支持されている。また、このようなミラー要素２０は、一画素内に複数個、本実施形態では、２個設けられており、それぞれ支持部２１とは反対側の端面が相対向するように配置されている。
【００３４】
このような圧電素子３０を支持する支持部２１は、圧電素子３０に対向する領域からミラー基板１１上まで延設された弾性板３１、下電極膜３２及び後述する層間絶縁膜によって構成されている。また、ミラー基板１１には、各圧電素子３０を駆動するための、例えば、Ｃ−ＭＯＳ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、支持部２１の各駆動素子５０に対応する領域には、これら圧電素子３０と駆動素子５０とを接続するための接続孔２２が形成されている。
【００３５】
ここで、圧電素子３０の上電極膜３４は、各圧電素子３０の個別の電極であり、各上電極膜３４から延設された接続配線３６と各駆動素子５０とがこの接続孔２２を介して電気的に接続されている。例えば、本実施形態では、反射膜３５が上電極膜３４と駆動素子５０とを接続する接続配線３６を兼ねており、この接続配線３６が上電極膜３４に対向する領域の反射膜３５から所定幅で層間絶縁膜３７を介して接続孔２２まで延設されて駆動素子５０と接続されている。
【００３６】
一方、下電極膜３２は、各圧電素子３０の共通の電極であり、図示しないがミラー基板１１上で各圧電素子３０の下電極膜３２と接続されている。なお、本実施形態では、下電極膜３２を弾性板３１上に形成するようにしたが、これに限定されず、下電極膜３２が弾性板３１を兼ねるようにしてもよい。
【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、ミラー基板１１は、本実施形態では、Ｃ−ＭＯＳトランジスタからなる駆動素子５０が設けられたシリコン単結晶基板であり、このミラー基板１１上に絶縁膜１２を形成する。この絶縁膜１２は、後述する犠牲層６０をエッチングする際に、そのエッチングを停止させるための膜であり、犠牲層６０のエッチングを停止可能であればその材質は特に限定されず、例えば、本実施形態では、窒化シリコン（ＳｉＮ）をＣＶＤ法によって約０．５μｍの厚さで形成した。
【００３９】
次に、図３（ｂ）に示すように、この絶縁膜１２上に全面に亘って犠牲層６０を、例えば、１〜３μｍ程度の厚さで形成後、一画素内の圧電素子３０に対応する領域毎、すなわち、本実施形態では、２つの圧電素子３０に対応する領域毎にパターニングする。
【００４０】
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、リンドープ酸化シリコン（ＰＳＧ）又はボロン・リンドープ酸化シリコン（ＢＰＳＧ）等を用いることが好ましく、本実施形態では、エッチングレートが比較的速いＰＳＧを用いた。
【００４１】
次に、図３（ｃ）に示すように、犠牲層６０上に沿って、弾性板３１を、例えば、０．５〜２μｍ程度の厚さで形成後、各圧電素子３０毎にパターニングする。また、同時に、各圧電素子３０の駆動素子５０に対向する領域の弾性板３１に、絶縁膜１２を露出する露出孔３１ａを形成する。この露出孔３１ａは、上電極膜３４と駆動素子５０とを電気的に接続するための接続孔２２の一部を構成する。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、ジルコニウム層を約１μｍの厚さで形成後、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。
【００４２】
次に、図３（ｄ）に示すように、弾性板３１及び犠牲層６０上に亘って、２００〜６００ｎｍの厚さ、例えば、本実施形態では、膜厚３００ｎｍで下電極膜３２を形成すると共に各圧電素子３０毎にパターニングする。また、同時に、弾性板３１の露出孔３１ａに対向する領域の下電極膜３２に、この露出孔３１ａに連通する第１の連通孔３２ａを形成する。この下電極膜３２の材料としては、イリジウム又は白金等が好適である。これは、後述するように、スパッタリング法やゾル−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、イリジウム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、下電極膜３２上に全面に亘って、例えば、厚さ０．４〜３μｍ、本実施形態では、１．５μｍの圧電体層３３及び例えば、厚さ３０〜１００ｎｍ、本実施形態では、５０ｎｍの上電極膜３４を順次形成すると共に、これらを各圧電素子３０毎、すなわち、犠牲層６０上の下電極膜３２に対向する領域にパターニングする。また、このとき弾性板３１の露出孔３１ａに対向する領域の下電極膜３２及び絶縁膜１２を除去して駆動素子５０を露出する接続孔２２とする。なお、このパターニング方法は、特に限定されず、例えば、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）又はイオンミリング等で行えばよい。
【００４４】
ここで、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、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）、チタン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムの混晶［（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃（ＢＳＴ）］等が好ましく、本実施形態では、ＰＺＴ系の材料を使用し、金属有機物を触媒に溶解・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、この圧電体膜３３の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法又はＭＯＤ法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコート法により成膜してもよい。
【００４５】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはＭＯＤ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（ゾル−ゲル水熱法）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０．５〜５μｍである。
【００４７】
上電極膜３４の材料としては、導電性が高く、エレクトロマイグレーションの発生がほとんど無い、例えば、イリジウム，白金等の金属及びその酸化物が好ましい。本実施形態では、イリジウムをスパッタリング法により成膜して上電極膜３４とした。
【００４８】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電素子３０及び接続孔２２の内面を覆って層間絶縁膜３７を形成すると共にパターニングする。詳しくは、上電極膜３４上の周縁部を残して上電極膜３４が露出する上電極露出部３４ａを形成すると共に、接続孔２２内に形成された層間絶縁膜３７を少なくとも下電極膜３２の端面が覆われるようにパターニングする。
【００４９】
次に、図４（ｃ）に示すように、圧電素子３０に対向する領域及び層間絶縁膜３７上に反射膜３５を形成すると共にパターニングして、圧電素子３０の上電極膜３４と接続孔２２を介して駆動素子５０とを電気的に接続する接続配線３６を形成する。
【００５０】
本実施形態では、反射膜３５が接続配線３６を兼ねているため、反射膜３５の材料としては、導電性の材料であり且つ光の反射率が高いことが好ましく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銀（Ａｇ）等を用いることが好ましい。
【００５１】
その後、犠牲層６０をエッチングにより除去することにより、弾性板３１、下電極膜３２及び層間絶縁膜３７によって支持部２１が形成され、この支持部２１を介して圧電素子３０の一端部でミラー基板１１とは空間を保持した状態で支持される本実施形態のミラー要素２０となる。なお、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、弗酸水溶液によってエッチングした。また、ポリシリコンを用いた場合には、弗酸及び硝酸の混合水溶液、あるいは水酸化カリウム水溶液によってエッチングすることができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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、図５（ａ）に示すように、一画素内に２つのミラー要素２０が相対向して設けられ、圧電素子３０に電圧が印加されない状態ではそれぞれほぼ平坦となっている。そして、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、図５（ｂ）に示すように、圧電素子３０の圧電体層３３が面内方向に収縮して、各ミラー要素２０は支持部２１に対向する部分を支点として、支持部２１側を凸として変形する。すなわち、一画素内では、その略中央部から各圧電素子３０がそれぞれ外側に向かって湾曲される。
【００５４】
また、本実施形態の光変調デバイス１０では、各画素となる領域の周囲を覆うように遮光マスク８０が設けられている。例えば、この遮光マスク８０は、図６に示すように、各画素に対向する領域に入射光が通過する貫通孔８１を有する略井桁形状を有する。この遮光マスク８０は、光吸収材料からなり、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。
【００５５】
このような構成では、図５（ａ）に示すように、圧電素子３０に電圧が印加されていない状態では、入射光７０が遮光マスク８０の貫通孔８１を介してミラー要素２０の反射膜３５に対して略直角に入射されるため、入射光７０は入射光路と略同一光路で貫通孔８１から出射される。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、図５（ｂ）に示すように、ミラー要素２０が変形されて湾曲しているため、入射光７０は反射面で各画素の周囲の遮光マスク８０の方向に偏向される。すなわち、この偏向された光は、遮光マスク８０に集光されて吸収されるため、貫通孔８１から出射されることがない。
【００５６】
ここで、入射光７０は、反射面で偏向されると反射面に対する法線に対称的な方向に偏向される。すなわち、入射光７０の入射方向と法線との角度がθであれば、入射光７０は、その倍の角度２θだけ偏向される。そのため、ミラー要素２０と遮光マスク８０の距離は、ミラー要素２０の変形量に応じて決定する必要がある。
【００５７】
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、一画素内の各圧電素子３０に同時に電圧を印加する、しないによって、入射光７０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。
【００５８】
また、本発明の光変調デバイス１０では、各画素内に複数の圧電素子３０が設けられているため、比較的容易に階調することができる。例えば、本実施形態では、一画素内の一方の圧電素子３０に電圧を印加して駆動することによって比較的明るさの弱い光と、両方の圧電素子３０に電圧を印加しないことによって比較的明るさの強い光との２段階の光を出射させることができ、全体として比較的容易に階調することができる。すなわち、ミラー要素２０を構成する圧電素子３０に個別に選択的に電圧を印加することにより、圧電素子３０のＯＮ、ＯＦＦのみで、各画素からの出射光をデジタル的に容易に階調することができる。
【００５９】
また、各圧電素子３０に印加する電圧を調整すれば、無段階、すなわちアナログ的にも階調することもできる。ただし、このようにアナログ的に階調する場合、制御系が煩雑になってしまうため、例えば、幾つかの所定の印加電圧に限定する等してもよい。また、上述のデジタル的に階調する駆動方法と組み合わせて用いてもよい。
【００６０】
以上のような本実施形態の構成では、各画素内に入射される入射光を複数方向に分散して集光させることができるので、変調効率を向上することができる。また、一画素内に、複数のミラー要素２０が設けられているため、印加電圧を変えることなくデジタル的に比較的容易に階調することができる。さらに、ミラー要素２０は、圧電素子３０の一端部が支持された片持ち梁状であるため、ミラー要素一つに対して駆動素子が一つで済むため、静電型のデバイスと比較してミラー要素を高密度に配置することができる。
【００６１】
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係る光変調デバイスの断面図である。
【００６２】
本実施形態は、図７に示すように、一画素内に４つのミラー要素を設けた例であり、各ミラー要素２０Ａの表面は三角形を有し、その一辺側の端部で支持部２１を介してミラー基板１１上に支持されている。また、これら４つの各ミラー要素２０Ａは、支持部２１とは異なる二辺側の端面がそれぞれ相対向するように配置され、全体として表面形状が略正方形となっている以外、実施形態１と同様の構成である。
【００６３】
このような構成では、実施形態１と同様に、一画素内の各圧電素子２０Ａがその中央部から外側に向かってそれぞれ異なる方向に変形されるため、入射光を４方向に分散して集光させることができ、さらに集光効率を向上することができる。また、これら４つのミラー要素２０Ａの圧電素子３０に異なるタイミングで電圧を印加して駆動することにより、さらに多段階に階調することができる。
【００６４】
（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。
【００６５】
例えば、上述した実施形態では、各ミラー要素２０の反射面を略同一の形状及び表面積としたが、これに限定されず、例えば、それぞれ異なる形状及び表面積としてもよい。これにより、駆動するミラー要素の組み合わせによって、より多段階に階調することができる。
【００６６】
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。
【００６７】
図８及び図９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及び図９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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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の反射面は曲面となっているため、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マスク８０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２０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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
光変調デバイス１０を構成する変形したミラー要素２０Ｂ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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では一画素内に片持ち梁状のミラー要素を複数個設けるようにしたので、入射光を２方向以上に分散して集光させることができ、集光効率を向上することができる。また、一画素内の圧電素子に異なるタイミングで電圧を印加して駆動することにより、印加電圧を変えることなく比較的容易に階調することができる。さらには、１つの圧電素子に対して１つの駆動素子で済むため、ミラー要素を高密度に配置することができ、光変調デバイスの小型化を図ることができる。
【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上面図及び断面図である。
【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】本発明の光変調デバイスに用いられる遮光マスクの概略図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る光変調デバイスの概略を示す上面図である。
【図８】本発明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支持部
３０圧電素子
３１弾性板
３２下電極膜
３３圧電体層
３４上電極膜
３５反射膜
５０駆動素子

Claims

圧電体層及びこれを挟持する第１及び第２の電極と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、
前記ミラー要素が一画素内に複数個設けられると共に前記各圧電素子が一画素を構成する領域の周縁部分に対向する端部で支持部を介して基板上に片持ち梁状態で支持され、且つ一画素内に設けられた複数の前記ミラー要素は、前記圧電素子の前記支持部とは面方向に相対向する領域で相互に分割されるように設けられていることを特徴とする光変調デバイス。
請求項１に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反射光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。
圧電体層及びこれを挟持する第１及び第２の電極と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し、前記ミラー要素が一画素内に複数個設けられると共に前記各圧電素子が一画素を構成する領域の周縁部分に対向する端部で支持部を介して基板上に片持ち梁状態で支持され、且つ一画素内に設けられた複数の前記ミラー要素は、前記圧電素子の前記支持部とは面方向に相対向する領域で相互に分割されるように設けられている光変調デバイスの製造方法であって、
前記基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に犠牲層を成膜すると共に各画素内の前記圧電素子毎にパターニングする工程と、前記犠牲層の表面に沿って弾性板を形成後前記各圧電素子に対向する領域にパターニングする工程と、前記弾性板上に前記第１の電極、前記圧電体層及び前記第２の電極を順次積層すると共にパターニングして前記圧電素子を形成する工程と、前記第１の電極、前記弾性板及び前記絶縁膜をパターニングして前記駆動素子を露出する接続孔を形成する工程と、前記接続孔を介して前記第２の電極と前記駆動素子とを接続する配線電極兼反射膜を層間絶縁膜を介してパターン形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程とを有することを特徴とする光変調デバイスの製造方法。