JP3800292B2 - Light modulation device and display device - Google Patents
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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、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るため、圧電素子の表面に十分な曲率が得られないという問題がある。また、圧電素子の表面に十分な曲率を得るためには、圧電素子の長手方向の長さ、すなわち、梁の長さを長くしなければならないという問題がある。
【0005】
本発明は、このような事情に鑑み、曲率変化を向上すると共に集光性能を向上した光変調デバイス及び表示装置を提供することを課題とする。
【0006】
【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、圧電体層とこれを挟持する一対の下電極及び上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、前記ミラー要素は、当該ミラー要素の中心を挟んで面内方向に沿って相対向する外縁部の二点の支持部で基板に支持され、前記ミラー要素を構成する前記圧電素子が、当該ミラー要素の外縁部のみ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。
【0007】
かかる第1の態様では、ミラー要素が外縁部の二点のみで基板に支持され、他の部分が自由端となっているので、曲率変化を大きくすることができると共に、圧電素子がミラー要素の外縁部のみに設けられて他の部分の膜厚が薄いため、圧電素子の駆動により他の部分が変形し易く、曲率変化がより大きくなる。
【0008】
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記ミラー要素の支持部間の長さは、当該支持部間の方向とは略直交する方向の長さよりも短いことを特徴とする光変調デバイスにある。
【0009】
かかる第2の態様では、支持部間の長さに対して自由端間の長さが長いため、圧電素子の駆動によるミラー要素の変形量が向上する。
【0012】
本発明の好ましい態様は、前記ミラー要素は、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、前記圧電素子が前記支持部を支点として当該基板とは反対側に変形されると共に前記圧電素子以外の部分が前記基板側に変形されることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0013】
かかる態様では、ミラー要素の圧電素子と他の部分とが逆方向に変形されるため、ミラー要素の曲率変化がさらに大きくなる。
【0014】
本発明の好ましい態様は、前記圧電素子の実質的な駆動部である圧電体能動部の表面積が前記ミラー要素の表面積の5〜50%であることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0015】
かかる態様では、ミラー要素の圧電体能動部の割合を所定の範囲内とすることにより、ミラー要素を効率的に変形させることができる。
【0016】
本発明の好ましい態様は、前記ミラー要素の前記圧電素子の実質的な駆動部である圧電体能動部以外の領域が、少なくとも前記下電極からなることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0017】
かかる態様では、ミラー要素の圧電体能動部以外の領域の膜厚が薄いため、変形量が向上する。
【0018】
本発明の好ましい態様は、前記ミラー要素の前記圧電素子以外の領域が、前記上電極と前記圧電素子の前記基板側に設けられる弾性板とからなることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0019】
かかる態様では、ミラー要素の圧電素子以外の領域の膜厚が薄いため、変形量が向上する。
【0020】
本発明の好ましい態様は、前記下電極は、配線引き出し部以外は前記圧電素子を構成する前記圧電体層に覆われていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0021】
かかる態様では、ミラー要素上の下電極の端面が圧電体層によって覆われているため、下電極と上電極との間の短絡が確実に防止される。
【0022】
本発明の好ましい態様は、前記基板の前記各ミラー要素に対応する領域に凹部が設けられており、前記ミラー要素が前記基板の凹部を塞ぐように設けられると共に最終的に除去される犠牲層上に形成された薄膜で構成されていることを特徴とする光変調デバイスにある。
【0023】
かかる態様では、犠牲層が凹部に充填されることにより、凹部に対向する領域に薄膜プロセスでミラー要素を容易に形成することができる。
【0024】
本発明の好ましい態様は、前記圧電素子は前記基板側に弾性板を有することを特徴とする光変調デバイスにある。
【0025】
かかる態様では、圧電素子の基板側に弾性板が設けられているので、圧電素子が基板とは反対側に変形される。
【0026】
本発明の好ましい態様は、前記圧電素子は前記基板とは反対側の面に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。
【0027】
かかる態様では、圧電素子の一方面側が支持部によって基板上に接合されているので、この支持部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。
【0028】
本発明の第3の態様は、第1または第2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。
【0029】
かかる第3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、より鮮明な映像を投影できる表示装置を実現できる。
【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。なお、図2(b)は、図2(a)のA−A’断面図であり、図2(c)は、図2(a)のB−B’断面図である。
【0032】
図示するように、本実施形態の光変調デバイス10は、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】
ミラー基板11は、例えば、厚さが500μmのシリコン(Si)基板等からなり、各ミラー要素20に対応する領域には、ミラー要素20よりも若干大きい開口の凹部12が形成されている。
【0034】
各ミラー要素20は、ミラー基板11上の各凹部12に対応して、例えば、1280×1024要素の2次元アレイ状に設けられ、各ミラー要素20の中心を挟んで相対向する外縁部の二点の支持部20a,20bによってミラー基板11上に支持されている。本実施形態では、各ミラー要素20は、一辺が約20μmの略正方形を有し、一方の相対向する角部がそれぞれ支持部20a,20bとなっている。
【0035】
本実施形態では、ミラー基板11の凹部12は、基本的にはミラー要素20よりも若干大きい略正方形の開口であるが、一方の相対向する角部には、それぞれ、ミラー要素20に対向する領域まで張り出した張り出し部13が設けられている。すなわち、この張り出し部13に対応する部分のミラー要素20が、それぞれ支持部20a,20bとなっており、各ミラー要素20は、その外縁部の二つの支持部20a,20bのみによってミラー基板11上に支持されており、他の部分は全て自由端となっている。
【0036】
なお、ミラー要素20の支持部20a,20bの構造は、特に限定されず、何れの構造であってもよい。
【0037】
また、各ミラー要素20は、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からなる圧電素子30を有する。また、この圧電素子30の両電極への電圧の印加により電圧歪みが生じる部分、本実施形態では、ミラー基板11の凹部12に対向する領域の圧電素子を圧電体能動部30aという。このような圧電素子30は、本実施形態では、各ミラー要素20の外縁部のみに形成され、ミラー要素20の圧電体能動部30a以外の部分は、弾性板31及び下電極膜32で構成されており、この下電極膜32が入射光を反射する反射膜を兼ねている。
【0038】
ここで、各ミラー要素20の外縁部に設けられた圧電素子30は、その圧電体能動部30aの表面積の割合がミラー要素20の表面積の5〜50%程度となるように、略均一な幅で形成することが好ましく、これにより、ミラー要素20の変形効率が向上する。
【0039】
また、このような圧電素子30を構成する上電極膜34は、各圧電素子30の個別の電極であり、ミラー要素20の一方の支持部20aを介してミラー基板11上に延設され、C−MOSトランジスタ等の駆動素子(図示なし)と電気的に接続されている。一方、下電極膜32は、各圧電素子30の共通の電極であり、ミラー要素20の他方の支持部20bを介してミラー基板11上に延設され、各圧電素子30の下電極膜32と接続されている。
【0040】
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り、図2(a)のA−A’断面図である。
【0041】
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をパターニングして、各ミラー要素20を形成する領域に所定形状の凹部12を形成する。
【0042】
次に、図3(b)に示すように、この凹部12内に犠牲層60を充填する。その方法は、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、ミラー基板11上全面に犠牲層60を形成後、凹部12以外の領域の犠牲層60をパターニングにより除去して、凹部12内に犠牲層60を充填した。
【0043】
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、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。
【0044】
次に、図3(c)に示すように、ミラー基板11の表面に全面に亘って弾性板31を形成すると共に、エッチング等によって各ミラー要素20毎にパターニングする。このとき、少なくとも各凹部12の周縁部に対向する領域の弾性板31を除去して弾性板除去部31aを形成し、犠牲層60の一部を露出させる。
【0045】
このような弾性板31の材料は、弾性変形可能であると共に所定の剛性を有し、且つ後の工程で犠牲層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ず、例えば、本実施形態では、ジルコニウム層を約0.2μm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。
【0046】
次に、図3(d)に示すように、弾性板除去部31aにさらに犠牲層61を充填する。その方法は、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、弾性板31上全面に犠牲層61を形成後、弾性板除去部31a以外の犠牲層61を除去した。
【0047】
なお、この犠牲層61は、後述する工程で圧電素子30を構成する各層を形成する際に、これら各層によって弾性板除去部31aが埋まるのを防止するためのものである。
【0048】
次に図4(a)に示すように下電極膜32をミラー基板11上に全面に成膜すると共にパターニングする。
【0049】
また、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。
【0050】
また、本実施形態では、下電極膜32が反射膜を兼ねているため、光の反射率の高い材料であることが望ましい。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。
【0051】
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。
【0052】
次に、図4(b)に示すように、下電極膜32上に圧電体層33を成膜すると共に、各圧電素子30に対応してパターニングする。すなわち、各犠牲層60上にパターニングされた各下電極膜32の外縁部のみに圧電体層33を形成する。
【0053】
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)系の材料が好ましく、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。
【0054】
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を用いてもよい。
【0055】
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。
【0056】
次に、図4(c)に示すように、ミラー基板11上の全面に亘って上電極膜34を形成後パターニングして、各圧電体層33上に上電極膜34を形成する。
【0057】
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、銀等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。また、下電極膜32と同様に、上電極膜34が反射膜を兼ねるようにしてもよく、この場合、導電性を有すると共に光の反射率の高い材料を用いることが好ましい。
【0058】
その後、図4(d)に示すように、各凹部12内の犠牲層60,61を弾性板除去部31a内の犠牲層61の表面からエッチングによって除去することにより、外縁部の二点で支持された本実施形態のミラー要素20が形成される。
【0059】
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。
【0060】
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の駆動状態を示す模式図であり、図6は、本実施形態の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。
【0061】
本実施形態の光変調デバイスでは、ミラー要素20は、圧電素子30に電圧が印加されない状態ではほぼ平坦となっており、ミラー要素20の圧電素子30に電圧を印加して駆動すると、圧電素子30の圧電体層33が面内方向に収縮して、図5に示すように、圧電素子30が設けられているミラー要素20の外縁部は、ミラー基板11とは離れる方向(図中上方向)に変形する。また、圧電素子30が設けられていないミラー要素20の中央部は、外縁部とは反対にミラー基板11の凹部12側(図中下方向)に変形される。すなわち、ミラー要素20が変形することにより略凹面鏡として作用し、入射光の変調効率を向上することができる。
【0062】
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6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。また、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20の焦点近傍に設けられている。
【0063】
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70がミラー要素20の反射膜である下電極膜32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出射される。一方、圧電素子30に電圧が印加された状態ではミラー要素20が変形されて略凹面鏡となるため、反射された後には変形したミラー要素20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70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。
【0064】
以上のように、本実施形態では、ミラー要素20をその中心を挟んで相対向する外縁部の二点の支持部20a,20bによってミラー基板11上に支持するようにしたので、片持ち梁形状のミラー要素と比較して、より大きな曲率変化が得られる。また、圧電素子30をミラー要素20の外縁部のみに設けるようにしたので、圧電素子30の駆動の際に、圧電素子30以外の領域のミラー要素20が圧電素子30とは反対側に変位し、ミラー要素20全体が凹面として作用するため集光性能が向上する。さらに、各ミラー要素20に設けられる圧電素子30が比較的小さくて済むため、消費電力を抑えることができる。
【0065】
なお、本実施形態では、ミラー要素20を一方の相対向する角部でミラー基板11上に支持するようにしたが、これに限定されず、ミラー要素20の中心を挟んで相対向する二点であれば、外縁部の何れの二点で支持するようにしてもよい。
【0066】
(実施形態2)
図7は、実施形態2に係る光変調デバイスを示す図である。なお、図7(a)は、光変調デバイスの要部を示す上面図であり、図7(b)は、そのC−C’断面図であり、図7(c)は、D−D’断面図である。
【0067】
本実施形態は、図7に示すように、上電極膜34をミラー要素20Aの全面に設け、この上電極膜34が光を反射する反射膜を兼ねるようにした例である。
【0068】
すなわち、本実施形態では、圧電素子30を構成する上電極膜34が、ミラー要素20A上の圧電体層33及び弾性板31に対向する領域に亘って全面に形成されている。一方、下電極膜32は配線引き出し部以外は圧電体層33内に存在するようにして、ミラー要素20Aの圧電素子30以外の部分は弾性板31及び上電極膜34のみで形成するようにし、ミラー要素20Aの曲率変化を大きくするようにしている。また、下電極膜32の端面が圧電体層33によって覆われるようにして、下電極膜32と上電極膜34との短絡を防止している。なお、その他の構造は、実施形態1と同様である。
【0069】
このような構成では、ミラー要素20A全体を反射膜を兼ねる上電極膜34が覆っているため、光の反射率を向上すると共に、信頼性を向上することができる。
【0070】
また、上電極膜34は、上述した構成では、圧電体層33をパターニングして焼成後に設けられるので、高温等に弱い材料あっても用いることができる。すなわち、上電極膜34としては、アルミニウム(Al)等の比較的剛性の低い材料を使うことができるため、この上電極膜34をミラー要素の全面に設けることにより、例えば、白金からなる下電極膜32を全面に設けるよりも、ミラー要素の剛性を低下させることができ、曲率変化を大きくすることができる。
【0071】
さらに、本実施形態では、下電極膜32の端面が圧電体層33で覆われているため、上電極膜34をミラー要素の全面に設けても下電極膜32との間で短絡することがない。
【0072】
(実施形態3)
図8は、実施形態3に係る光変調デバイスの要部を示す上面図である。
【0073】
本実施形態は、図8に示すように、ミラー要素20Bの表面を略楕円形状とした以外は、実施形態1と同様である。
【0074】
すなわち、ミラー要素20Bは、略楕円形状を有すると共に、その外縁部のみに圧電素子30が設けられている。また、本実施形態では、ミラー要素20Bは、その面方向の長さが最も短い部分の外縁部が支持部20a,20bによってミラー基板11上に支持されている。
【0075】
ここで、本実施形態のように、ミラー要素20Bを楕円形状等の面方向の長さが異なる表面形状とする場合には、支持部間の長さaが支持部間の方向とは略直交する方向の長さbよりも短くなるような位置に、支持部を設けることが好ましい。
【0076】
このような構成とすることにより、圧電素子30の駆動によるミラー要素20の変形量をさらに向上することができる。また、勿論、実施形態1と同様の効果も得ることができる。
【0077】
(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。
【0078】
例えば、上述の実施形態では、圧電素子30をミラー要素の外縁部のみに形成するようにしたが、これに限定されず、勿論ミラー要素20の全面に設けるようにしてもよい。
【0079】
また、例えば、上述の実施形態1では、ミラー要素20の圧電体能動部30a以外の領域は、弾性板31及び下電極膜32で構成されているが、これに限定されず、例えば、弾性板31を除去して下電極膜32のみで構成するようにしてもよい。何れにしても、ミラー要素20の圧電体能動部30a以外の領域の膜厚をできるだけ薄くすることにより、さらに変形量を増加させることができる。
【0080】
また、例えば、上述の実施形態では、ミラー要素の各ミラー要素に対応する領域に凹部12を設け、犠牲層60を用いてこの凹部12に対向する領域にミラー要素20を形成することにより、各ミラー要素20を二点で支持するようにしたが、これに限定されず、例えば、ミラー基板11上に各ミラー要素20を形成後、ミラー要素20とは反対側からミラー基板11をエッチング等により除去して、各ミラー要素20を二点で支持するようにしてもよい。
【0081】
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。
【0082】
図9及び図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9及び図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。
【0083】
図9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。
【0084】
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。
【0085】
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20は凹面鏡として働き、この変形したミラー要素20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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
また、図9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。
【0089】
図10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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
【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その中心を挟んで面内方向に沿って相対向する外縁部の二点の支持部で基板に支持するようにしたので、外縁部の他の部分が自由端となっており、圧電素子の駆動による変形量を向上することができる。また、圧電素子をミラー要素の外縁部のみに設けることにより、ミラー要素の圧電体能動部の部分の変形方向と、それ以外の部分の変形方向とが反対方向となるため、より大きな曲率変化が得られると共に集光性能を向上することができる。さらには、各ミラー要素の圧電素子が比較的小さくて済むため、消費電力を抑え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変形状態を示す概略断面図である。
【図6】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7】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及び断面図である。
【図8】本発明の実施形態3に係る光変調デバイスの要部を示す上面図である。
【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。
【図10】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
12 凹部
20,20A,20B ミラー要素
20a,20b 支持部
30 圧電素子
30a 圧電体能動部
31 弾性板
32 下電極膜
33 圧電体層
34 上電極膜[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 reflection mirror.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a light modulation device for performing display by modulating 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 electrostatic force, 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, since the light modulation device using such a piezoelectric element has a cantilever structure supporting one end in the longitudinal direction of the piezoelectric element, there is a problem that sufficient curvature cannot be obtained on the surface of the piezoelectric element. is there. Further, in order to obtain a sufficient curvature on the surface of the piezoelectric element, there is a problem that the length in the longitudinal direction of the piezoelectric element, that is, the length of the beam must be increased.
[0005]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a light modulation device and a display device that improve curvature change and light collection performance.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention that solves the above problems includes a mirror element having a piezoelectric element composed of a piezoelectric layer and a pair of lower and upper electrodes sandwiching the piezoelectric layer and having a mirror film structure that reflects light; In the light modulation device having a drive element provided corresponding to the mirror element, the mirror element has two support portions of outer edge portions facing each other in the in-plane direction across the center of the mirror element. The optical modulation device is characterized in that the piezoelectric element supported by the substrate and constituting the mirror element is provided only at the outer edge of the mirror element.
[0007]
In the first aspect, since the mirror element is supported by the substrate only at two points on the outer edge and the other part is a free end, the change in curvature can be increased, and the piezoelectric element can be connected to the mirror element. Since the film thickness of the other part is thin only provided at the outer edge part, the other part is easily deformed by driving the piezoelectric element, and the curvature change becomes larger.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the length between the support portions of the mirror element is shorter than the length in a direction substantially perpendicular to the direction between the support portions. In the modulation device.
[0009]
In the second aspect, since the length between the free ends is longer than the length between the support portions, the deformation amount of the mirror element by driving the piezoelectric element is improved.
[0012]
In a preferred aspect of the present invention, the mirror element is deformed to the opposite side of the substrate with the support portion as a fulcrum by applying a voltage to the piezoelectric layer of the piezoelectric element. In the light modulation device, a portion other than the piezoelectric element is deformed to the substrate side.
[0013]
In this aspect, since the piezoelectric element of the mirror element and the other part are deformed in the opposite direction, the curvature change of the mirror element is further increased.
[0014]
In a preferred aspect of the present invention, there is provided a light modulation device characterized in that a surface area of a piezoelectric active portion which is a substantial driving portion of the piezoelectric element is 5 to 50% of a surface area of the mirror element.
[0015]
In such an aspect, the mirror element can be efficiently deformed by setting the ratio of the piezoelectric active portion of the mirror element within a predetermined range.
[0016]
In a preferred aspect of the present invention, the light modulation device is characterized in that a region other than the piezoelectric active portion which is a substantial drive portion of the piezoelectric element of the mirror element is composed of at least the lower electrode.
[0017]
In this aspect, since the film thickness of the region other than the piezoelectric active part of the mirror element is thin, the deformation amount is improved.
[0018]
In a preferred aspect of the present invention, the region other than the piezoelectric element of the mirror element includes the upper electrode and an elastic plate provided on the substrate side of the piezoelectric element.
[0019]
In this aspect, since the film thickness of the region other than the piezoelectric element of the mirror element is thin, the deformation amount is improved.
[0020]
In a preferred aspect of the present invention, the lower electrode is covered with the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element except for the wiring lead portion.
[0021]
In this aspect, since the end surface of the lower electrode on the mirror element is covered with the piezoelectric layer, a short circuit between the lower electrode and the upper electrode is reliably prevented.
[0022]
According to a preferred aspect of the present invention, a recess is provided in a region corresponding to each mirror element of the substrate, and the mirror element is provided so as to close the recess of the substrate and is finally removed. The light modulation device is characterized in that the light modulation device is formed of a thin film formed in the above.
[0023]
In such an embodiment, when the sacrificial layer is filled in the recess, the mirror element can be easily formed in a region facing the recess by a thin film process.
[0024]
In a preferred aspect of the present invention, the piezoelectric element has an elastic plate on the substrate side.
[0025]
In this aspect, since the elastic plate is provided on the substrate side of the piezoelectric element, the piezoelectric element is deformed to the side opposite to the substrate.
[0026]
In a preferred aspect of the present invention, the piezoelectric element has the mirror film structure on a surface opposite to the substrate.
[0027]
In this aspect, since one surface side of the piezoelectric element is bonded to the substrate by the support portion, the piezoelectric element is deformed with the support portion as a fulcrum, and the mirror film structure on the other surface is deformed.
[0028]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the light modulation device according to the first or second aspect, a light source, light from the light source incident on the light modulation device, and the piezoelectric element of the light modulation device. And an optical system that emits only one of reflected light during driving or non-driving.
[0029]
In the third aspect, a display device capable of projecting a clearer image can be realized by using a light modulation device that increases the curvature change of the mirror film structure to improve the light collecting performance.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0031]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view illustrating an outline of the light modulation device according to the first embodiment, and FIG. 2 is a top view and a cross-sectional view illustrating a mirror element in one pixel. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 2A, and FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
[0032]
As shown in the figure, the
[0033]
The
[0034]
Each
[0035]
In the present embodiment, the
[0036]
In addition, the structure of the
[0037]
Each
[0038]
Here, the
[0039]
Further, the
[0040]
Moreover, although the manufacturing method of such a
[0041]
First, as shown in FIG. 3A, in this embodiment, the
[0042]
Next, as shown in FIG. 3B, the
[0043]
The material of the
[0044]
Next, as shown in FIG. 3C, an
[0045]
The material of the
[0046]
Next, as shown in FIG. 3D, the
[0047]
The
[0048]
Next, as shown in FIG. 4A, a
[0049]
Further, as the material of the
[0050]
In the present embodiment, since the
[0051]
In the present embodiment, the
[0052]
Next, as shown in FIG. 4B, a
[0053]
Here, the material of the
[0054]
Further, after forming a lead zirconate titanate precursor film by a sol-gel method, sputtering method, MOD method or the like, a method of crystal growth at a low temperature by a high pressure treatment method in an alkaline aqueous solution may be used.
[0055]
In any case, the
[0056]
Next, as shown in FIG. 4C, the
[0057]
The
[0058]
Thereafter, as shown in FIG. 4 (d), the
[0059]
In this embodiment, since PSG is used as the material of the
[0060]
Here, the operation of the light modulation device of the present embodiment formed as described above will be described. 5 is a schematic diagram illustrating a driving state of the light modulation device of the present embodiment, and FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an optical path of light irradiated to the light modulation device of the present embodiment. .
[0061]
In the light modulation device of the present embodiment, the
[0062]
In addition, the
[0063]
In such a configuration, when no voltage is applied to the
[0064]
As described above, in the present embodiment, the
[0065]
In the present embodiment, the
[0066]
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a diagram illustrating the light modulation device according to the second embodiment. 7A is a top view showing a main part of the light modulation device, FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line CC ′, and FIG. 7C is a line DD ′. It is sectional drawing.
[0067]
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, an
[0068]
That is, in the present embodiment, the
[0069]
In such a configuration, the
[0070]
In the above-described configuration, the
[0071]
Furthermore, in this embodiment, since the end surface of the
[0072]
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a top view illustrating a main part of the light modulation device according to the third embodiment.
[0073]
As shown in FIG. 8, the present embodiment is the same as the first embodiment except that the surface of the
[0074]
That is, the
[0075]
Here, when the
[0076]
With such a configuration, the deformation amount of the
[0077]
(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.
[0078]
For example, in the above-described embodiment, the
[0079]
Further, for example, in Embodiment 1 described above, the region other than the piezoelectric body
[0080]
Further, for example, in the above-described embodiment, the
[0081]
The light modulation device of the present invention having each configuration described above is used as a part of a display device, for example.
[0082]
9 and 10 show an example of a display device using the light modulation device of the present invention. 9 and 10 are schematic cross-sectional views of the optical system constituting the display device, and the lens, the light modulation device, and the like are greatly simplified.
[0083]
The display device shown in FIG. 9 includes a
[0084]
Such a display device has a
[0085]
Of the
[0086]
With the configuration of the optical system as described above, each
[0087]
As the
[0088]
In the optical system shown in FIG. 9, only about half of the light emitted from the
[0089]
In the display device shown in FIG. 10, by using three
[0090]
As shown in the drawing, light emitted from a
[0091]
Since the light emitted from the
[0092]
All of the light incident on the third
[0093]
The light reflected by the reflecting film of the
[0094]
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.
[0095]
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.
[0096]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the mirror element is supported on the substrate by the two support portions of the outer edge portion facing each other along the in-plane direction with the center thereof interposed therebetween, so that the other part of the outer edge portion. Is a free end, and the amount of deformation by driving the piezoelectric element can be improved. Also, by providing the piezoelectric element only at the outer edge of the mirror element, the deformation direction of the piezoelectric active part of the mirror element is opposite to the deformation direction of the other part, so that a larger curvature change occurs. As a result, the light collecting performance can be improved. Furthermore, since the piezoelectric element of each mirror element only needs to be relatively small, there is an effect that power consumption can be suppressed.
[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 main parts 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 showing a deformed state of the light modulation device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an optical system of the light modulation device according to the first embodiment of the invention.
FIGS. 7A and 7B are a top view and a cross-sectional view of main parts of a light modulation device according to a second embodiment of the invention. FIGS.
FIG. 8 is a top view showing a main part of an optical modulation device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an optical system constituting a display device using the light modulation device according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic sectional view of an optical system constituting a display device using the light modulation device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ミラー要素は、当該ミラー要素の中心を挟んで面内方向に沿って相対向する外縁部の二点の支持部で基板に支持され、前記ミラー要素を構成する前記圧電素子が、当該ミラー要素の外縁部のみに設けられている
ことを特徴とする光変調デバイス。A mirror element having a piezoelectric element composed of a piezoelectric layer and a pair of lower and upper electrodes sandwiching the piezoelectric element and having a mirror film structure for reflecting light, and a drive element provided corresponding to the mirror element Having a light modulation device,
The mirror element is supported on the substrate by two support portions of outer edge portions facing each other in the in-plane direction across the center of the mirror element, and the piezoelectric element constituting the mirror element is the mirror element It is provided only in the outer edge part of the light modulation device characterized by the above-mentioned.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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