JP3855454B2 - 空間光変調装置および空間光変調装置の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光演算、光記憶装置、光プリンター、画像表示装置等に使用される光スイッチング素子（ライトバルブ）に適した空間光変調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光をオンオフ制御できる空間光変調装置としては液晶を用いたものが知られている。図２５に、その概略構成を示す。この空間光変調装置は、光スイッチング素子９００として実現されており、偏光板９０１および９０８、ガラス板９０２および９０３、透明電極９０４および９０５、液晶９０６および９０７より構成され、透明電極間に電圧を印加することにより液晶分子の方向を変えて偏光面を回転させ光スイッチングを行うものである。例えば、このような光スイッチング素子（液晶セル）を二次元に並べて液晶パネルとして画像表示装置を構成することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この液晶を用いた光スイッチング素子（空間光変調装置）は、高速応答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか動作しない。このため高速応答を要求される、光通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記憶装置、光プリンター等に対し液晶を用いた空間光変調装置は難しかった。また、液晶を用いた空間光変調装置では、偏光板により光の利用効率が低下してしまうという問題もあった。
【０００４】
これらの用途に対応できる、高速動作の可能な空間光変調装置が求められており、このため、光を制御できるスイッチング要素を機械的に動かして高速で変調できる空間光変調装置が開発されている。その１つは、マイクロミラーデバイスであり、このデバイスはミラーをヨークで旋回可能に支持し、ミラーの角度を変えて電気的または光学的な入力に対応して入射光を変調して出射するようになっている。
【０００５】
また、反射機能あるいは透過機能を備えた平面要素を薄膜などで保持し、その平面要素を平行に動かして入射光を変調することが可能であり、そのような原理に基づき空間光変調装置を構成することも可能である。本願出願人が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部の全反射面に対しスイッチング部の抽出面を接触させてエバネセント光を抽出し、スイッチング部の１波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な光スイッチング素子もその１つである。このエバネセント光を利用した光スイッチング素子は、スイッチング部を支持する弾性の薄膜と、全反射面に対峙した平面的な抽出面の位置を静電力で制御するための電極とを備えた駆動部によって駆動されるようになっている。駆動部により、導光部の全反射面にスイッチング部の抽出面が略接触した状態になると光を抽出して出射することができ、また、全反射面から抽出面を離すと光は抽出されないので光は出射されない。このように、エバネセント波を利用した光スイッチング素子は、全反射面に対し抽出面の位置を微少距離移動することにより入射光を変調することができるので、高速動作が可能な空間光変調装置の１つとして実現化に向けて鋭意開発が進められている。
【０００６】
空間光変調装置において、動作速度をさらに高速にすることは常に重要な課題であり、開発中のエバネセント光を利用した光スイッチング素子において同様である。そこで、本発明においては、エバネセント光を利用した光スイッチング素子のような、平面的な要素を備えたスイッチング部を移動制御して光を変調する機構を備えた空間光変調装置において、その動作速度をさらに高速化することができる空間光変調装置およびその制御方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らが上述したような平面的な要素を備えた光スイッチング素子の動作を研究したところ、微少な距離を高速で移動しながら行われるスイッチング動作においては、スイッチング部の抽出面と全反射面との間に封入される空気あるいは不活性ガスなどの流体の抵抗、あるいは、スイッチング部が移動する際の抵抗が無視できない抗力となっており、このような流体の抵抗を抑制することにより動作速度を大幅に向上できることを見出した。このような流体抵抗を低減するには、真空中で光スイッチング素子を動作させれば良いが、スイッチング部あるいは駆動部の周辺環境を真空にするためには耐圧容器などの付加部材が必要となり大型化およびコスト高の原因となる。また、製造過程においても、真空にするための工程が必要である。さらに、真空雰囲気でのみ使用可能な光スイッチング素子では、使用中に真空雰囲気が破られると一気に性能が低下したり、あるいは動作不能になる恐れがあるので信頼性についても問題がある。
【０００８】
そこで、本願の発明者らは、流体の抵抗をスイッチング部の動きによって低減できるようにしている。すなわち、本発明の空間光変調装置は、平面要素を備えたスイッチング部と、このスイッチング部を平面要素が第１の方向を向く第１の位置、およびこの第１の位置から離れた第２の位置に移動可能な駆動手段とを有し、この駆動手段は、スイッチング部の平面要素の向きを、移動初期、移動中または移動末期に、第１の方向に対し傾けることを特徴としている。まず、スイッチング部を移動初期に傾けることにより、スイッチング部が移動を開始するときにスイッチング部が離脱するために生じる空間にスムーズに流体を流入させることができるので流体による抵抗を削減することができる。また、移動中にスイッチング部を傾けることにより、平面要素が進行方向に対し傾くのでスイッチング部が移動する際に受ける流体の抵抗を削減することができる。そして、移動末期にスイッチング部を傾けることにより、スイッチング部が停止する際に閉じる空間から流体をスムーズに排出することができるので、流体による抵抗を削減することができる。
【０００９】
本発明の空間光変調装置においては、このようにスイッチング部の移動初期、移動中および移動末期の少なくともいずれかに平面要素の向きを傾けることにより流体の抵抗を削減することができ、移動初期、移動中および移動末期の全てあるいはいずれか２つの状態で傾けることにより、さらに流体による抵抗を削減することができる。したがって、スイッチング部の移動中の抵抗が減るので、移動速度は速くなり、変調処理速度を向上することができる。また、圧力を下げたり、あるいは真空にしなくても流体による抵抗を削減できるので、空間光変調装置を圧力容器化する必要もなく、通常の環境で使用することができる。したがって、動作速度が速く、信頼性の高い空間光変調装置を低コストで提供することができる。
【００１０】
特に、スイッチング部の平面要素に第１の位置で接し、この平面要素の向きを第１の方向に規定する平面部材を備えた空間光変調装置においては、平面部材によって流体の動きが制限されるので、スイッチング部が受ける抵抗が大きくなる。さらに、移動初期あるいは移動末期にスイッチング部を傾けることにより、第１の位置においてスイッチング部の平面要素と平面部材との間に生ずる空間に流体をスムーズに流入あるいは排出することができる。したがって、このような空間光変調装置において本発明を適用することにより、動作速度を大幅に向上することができる。上述したエバネセント波を利用した空間光変調装置（光スイッチング素子は、このタイプの空間光変調装置であり、本発明はエバネセント波を利用した空間光変調装置に好適なものである。
【００１１】
スイッチング部に対し、その重心に対し非対称な分布を備えた駆動力を印加することにより、スイッチング部を非対称な状態、すなわち、傾いた状態にすることができるので、移動初期、移動中あるいは移動末期にスイッチング部を傾けることができる。非対称な分布を備えた駆動力を印加する方法としては、スイッチング部の重心を立体中心からずらすことにより、スイッチング部に対し配置的には対称な分布の駆動力を、重心に対しては非対称な状態にすることができ、これによりスイッチング部を傾けることができる。
【００１２】
また、駆動手段に、スイッチング部を弾性的に支持する支持部材を設け、この支持部材の弾性定数の分布を、少なくとも１部においてスイッチング部の重心に対し非対称となるようにすることによっても、重心に対し非対称な駆動力をスイッチング部に対し印加することができる。さらに、駆動手段が、スイッチング部に設けられた第１の電極と、この第１の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備え、スイッチング部に静電力を駆動力として印加できる場合は、第１または第２の電極の形状またはそれらの間隔の少なくとも１部をスイッチング部の重心に対し非対称な状態にすることにより、非対称な駆動力をスイッチング部に対し印加することができる。
【００１３】
また、上記の第１または第２の電極をスイッチング部の重心に対しそれぞれ非対称な形状の第１および第２の区画に分け、これらの区画に異なったタイミングで、または、異なった電圧の電力を供給することによっても、非対称な駆動力をスイッチング部に対し印加することができる。
【００１４】
さらに、スイッチング部は第２の位置において、第１の位置の向きに対し平行である必要はなく、むしろ第２の位置において傾いた状態にすることにより、移動初期、移動中および移動末期の傾いた状態との間でスムーズに移行することができる。したがって、さらに流体の抵抗を減らすことができ、動作速度を向上することができる。
【００１５】
第２の位置でスイッチング部を傾いた状態にするには、駆動手段の支持部材の弾性定数をスイッチング部の重心に対し非対称にしたり、第１および第２の電極の間隔を変えたり、スイッチング部が第２の位置で接触する支持台とスイッチング部との間隔をスイッチング部の重心に対し非対称にする方法がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
図１に、本発明に係る空間光変調装置１０の概略構成を示してある。本発明の空間光変調装置１０は、光を全反射して伝達可能な導光部２０の全反射面２２に対し、透光性の抽出面３２を備えたスイッチング部３０を接触させてエバネセント光を抽出し導光部２０の入射光７０を導光部２０から出力できる、エバネセント波を利用した光スイッチング素子である。この光スイッチング素子１０は、スイッチング部３０の１波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、入射光７０を高速で変調（オンオフ制御）することができ、スイッチング部３０を駆動するために静電力とばね力を用いた駆動部４０が設けられている。
【００１７】
光スイッチング素子の構成を更に詳しく説明すると、光スイッチング素子は、ガラス製で入射光７０の透過率の高い光ガイド（導光部、カバーガラス）２０を備えており、全反射面２２で入射光７０が全反射するように全反射面２２に対し適当な角度で入射光７０が入射される。そして、この全反射面２２に対し、図１（ａ）に示すように、スイッチング部３０の抽出面３２が全反射面２２と平行な向き（第１の方向）で接近あるいは密着してエバネセント光を抽出できる位置（第１の位置）になると、導光部２０から入射光７０がスイッチング部３０に抽出される。本例のスイッチング部３０は抽出された入射光７０を導光部２０にむけて反射可能なマイクロプリズム３３を備えており、抽出された光は導光部２０を通ってほぼ垂直な出射光７２となり出力される。一方、図１（ｂ）に示すように、スイッチング部３０が第１の位置から離れて、抽出面３２が全反射面２２から離れた位置（第２の位置）になると、入射光７０は全反射面２２で全反射され導光部２０からエバネセント光として抽出されない。したがって、出射光７２は得られない。
【００１８】
このように、本例の光スイッチング素子１０においては、スイッチング部３０を第１および第２の位置に移動することにより、入射光７０を出射光７２として変調することができる空間光変調装置である。したがって、光スイッチング素子１０を用いて出射光７２をオンオフ制御できるので、光スイッチング素子をアレイ状に配置して画像表示装置を構成するなど、先に説明した液晶あるいはマイクロミラーデバイスなどの空間光変調装置と同様に用いることができる。さらに、エバネセント光は、スイッチング部３０を波長程度あるいはそれ以下の距離を移動することにより制御できるので、スイッチング部３０を非常に高速で動作させることが可能であり、動作速度の速い光スイッチング素子として実現することができる。
【００１９】
スイッチング部３０を駆動するために、光スイッチング素子１０は、スイッチング部３０の下方に光スイッチング部３０を動かす駆動部４０の層と、および駆動部４０を制御する駆動用ＩＣが構成されたシリコン基板（ＩＣチップ）６０の層を備えている。駆動部４０は、スイッチング部３０のシリコン基板６０の側（下側）３７に設けられたアドレス電極（第１の電極）４２と、シリコン基板６０の上面にアドレス電極４２に対峙して設けられたベース電極（第２の電極）４６とを備えている。そして、これらの電極４２および４６に電源部６１から直流電力が供給され、静電力を用いてスイッチング部３０を図１（ｂ）に示す第２の位置に駆動できるようになっている。さらに、駆動部４０は、スイッチング部３０の周囲に配置されたポスト４１からスイッチング部３０に延びた薄膜状で弾性のあるヨーク（支持部材）５０および５２を備えており、これらヨーク５０および５２の弾性力でスイッチング部３０を図１（ａ）に示す第１の位置に保持できるようになっている。このように、本例の光スイッチング素子においては、駆動部４０の電極４２および４６の間で生ずる静電力と、ヨーク５０および５２の弾性力とのバランスによってスイッチング部３０の位置を制御し、入射光７０を変調できるようになっている。
【００２０】
さらに、本例の光スイッチング素子１０においては、ポスト４１が基板６０と導光部２０との間隔を一定に保つスペーサとしての機能も備えており、基板６０と導光部２０との間にスイッチング部３０が移動するために必要な空間が確保されている。また、ポスト４１に対しスイッチング部３０を支持するヨーク５０および５２、さらにアドレス電極４２は導電性薄膜材であり、例えばＡｌ膜、Ｐｔ膜およびＡｇ膜などが考えられるが、本例では、ボロンドープされた導電性および弾性のあるシリコン薄膜で一体に構成されており、ヨーク５０および５２を介してアドレス電極４２に電源部６１から電力を供給できるようになっている。さらに、基板６０の表面には、ベース電極４６と並んでスイッチング部３０の第２の位置のポジションを決めるストッパ４８が設けられており、第２の位置においてアドレス電極４２がベース電極４６と直に接触して密着しないようにストッパ４８の高さが調節されている。
【００２１】
図２に、本例の光スイッチング素子のスイッチング部３０を下から見た様子を示してある。略直方体状の対称な形状のスイッチング部３０は、その立体中心点（体心）１４ａに対して対称な４方向に放射状に延びているヨーク５０および５２によりポスト４１から支持されている。本例の光スイッチング素子においては、体心１４ａを通り図面の上下に延びる方向に立体中心線１４を仮定すると、この立体中心線１４の図面上の左側の区画１２ａと右側の区画１２ｂに配置された各々２本のヨーク５０とヨーク５２は材質および厚みは同じで、幅が変えられており、ヨーク５０の幅Ｗがヨーク５２の幅Ｗよりも狭くなっている。このため、駆動部４０の一部として弾性的にスイッチング部３０を支持するヨーク５０とヨーク５２は、その弾性力、すなわち、バネ係数が異なり、左側の区画１２ａの弾性力が右側の区画１２ｂの弾性力よりも弱くなる。このように、本例の光スイッチング素子においては、スイッチング部３０が立体中心線１４の左右で異なった弾性定数のヨーク（支持部材）５０および５２で支持されている。一方、本例のスイッチング部３０は左右の形状が対称なので体心１４ａと重心１４ｂの位置は一致しており、このため、スイッチング部３０は重心１４ｂに対し左右で非対称な弾性定数を備えた支持部材によって支持されている。したがって、この光スイッチング素子１０の駆動部４０の電極４２および４６に電力を供給して静電力でスイッチング部３０を駆動すると、左右でアンバランスな力がスイッチング部３０に作用する。この結果、スイッチング部３０は全反射面２２に対し水平に動かず、傾いた状態で移動する。
【００２２】
図３に、本例のスイッチング部３０が傾いた状態で移動する様子を段階的に示してある。図３（ａ）は図１（ａ）に示したスイッチング部３０が第１の位置にある状態を示しており、この第１の位置では、スイッチング部３０の抽出面３２が導光部２０の全反射面２２に接し、第１の方向Ａ、すなわち、本例においては図面の上方を向き、光スイッチング素子１０は出射光を出力するオン状態になっている。この第１の位置においては、駆動部４０の電極４２および４６に対して電源部６１から電力は供給されておらず、スイッチング部３０はヨーク５０および５２の発生する弾性力によって導光部２０の全反射面２２に押し付けられ、抽出面３２と全反射面２２がほぼ密着した状態となっている。
【００２３】
次に、図３（ｂ）に示すように、電源部６１をオンし、駆動部４０のアドレス電極４２とベース電極４６に電力を供給するとこれらの電極４２および４６の間に静電力が働きスイッチング部３０がベース電極４６に引寄せられる。本例においては、アドレス電極４２およびベース電極４６の面積、形状および間隔は立体中心線１４に対し対称に分布しているので、左右対称な静電力がスイッチング部３０に作用する。しかしながら、静電力に対抗するように働くヨーク５０および５２の弾性力は、上述したようにヨーク５０および５２の幅が異なるので左右で弾性係数が異なり、発生する弾性力も異なる。この結果、スイッチング部３０に作用する駆動力の分布は立体中心線１４の左右で異なり、図３（ｂ）に示したスイッチング部３０を第１の位置から第２の位置に移動する過程の移動初期においては左側の区画１２ａの駆動力が右側の区画１２ｂの駆動力よりも大きくなる。したがって、スイッチング部３０の左側の区画１２ａの方が先に移動を開始し、これに続いて右側の区画１２ｂが移動を開始し、移動初期において抽出面３２が第１の方向Ａに対し傾いた状態となる。
【００２４】
抽出面３２が傾いた状態で移動を開始すると、図３（ｂ）に示すように、抽出面３２はその左側から徐々に全反射面２２から剥離し、抽出面３２と全反射面２２との間に空間３８が形成される。そして、この空間３８にスイッチング部３０の周囲の流体、本例においては空気１６が流入し、スイッチング部３０が第２の位置に向かって第１の方向Ａと反対側の矢印Ｘの方向に移動を開始する。そして、スイッチング部３０が移動すると、空間３８は徐々に右側に広がりながら大きくなり、その空間３８に徐々に空気１６が流入する。このように、抽出面３２が傾いた状態で移動が開始されると、初期に全反射面２２との間に形成される空間の体積は非常に小さく、そこに流入する空気の量も少なくて済むので空気抵抗は非常に小さい。これに対し、抽出面３２を第１の方向Ａに向けて全反射面２２と平行な状態に保ったまま移動を開始すると、移動初期に抽出面３２の全体が剥離するために形成される隙間が非常に大きくなり、流入する空気の量も多くなる。したがって、空気の抵抗は非常に大きい。このため、本例のように、移動初期に抽出面３２の向きを第１の方向Ａに対し傾けることにより、空気抵抗を減少することが可能であり、移動初期における駆動力が小さくて済み、移動が開始されるまでの時間を短縮することができる。
【００２５】
特に、本例のエバネセント光を利用した光スイッチング素子１０においては、抽出面３２と全反射面２２との間に若干の隙間が生じ、さらに抽出面３２の角度が変わるとエバネセント光の抽出量が極端に低下すると共に出射光の方向も変わる。したがって、出射光が所定の方向に出力されるオンの状態から出射光が出力されない、あるいは出射光の方向が変わるオフの状態にすばやく変化する。このため、移動初期に抽出面３２の角度を変えることにより、オン状態からオフ状態への移行速度を非常に速くすることができる。
【００２６】
スイッチング部３０は図３（ｂ）に示すように、移動中も進行方向Ｘに対し傾いた状態となる。したがって、移動方向Ｘに存在する流体（空気）に対し、スイッチング部３０の底面、すなわち、アドレス電極４２は傾いた状態で進み、空気１６はアドレス電極４２の進行方向に対し傾いた表面に沿ってスムーズに流れ空気抵抗は小さい。これに対し、抽出面３２を第１の方向Ａに保ったまま、アドレス電極４２が進行方向Ｘに垂直な状態で移動すると、アドレス電極４２とベース電極４６との間で空気１６を圧縮するようになるので、空気抵抗は大きい。このように、移動中においても、スイッチング部３０の抽出面３２を傾けることにより、空気抵抗を減らすことができ、移動速度を速くすることができる。
【００２７】
図３（ｄ）は、先に図１（ｂ）で説明したスイッチング部３０が基板６０のベース電極４６にもっとも接近して停止した第２の状態を示しており、本例の光スイッチング素子１０においては、この第２の位置でスイッチング部３０の抽出面３２は第１の位置と同様の方向Ａを向くようになっている。しかしながら、図３（ｃ）に示すように、スイッチング部３０が停止直前の移動末期においても、抽出面３２は第１の方向Ａに対し傾いている。このため、アドレス電極４２とベース電極４６との間の空間は、立体中心線１４に対し左側の区画１２ａの側から徐々に小さくなる。したがって、アドレス電極４２とベース電極４６との間の空気は空間３８が斜めに徐々に狭くなるので、右側の区画１２ｂの方向にスムーズに流れ、アドレス電極４２とベース電極４６との間から放出される。この結果、移動末期においてもアドレス電極４２とベース電極４６との間にある流体（空気）１６による抵抗は非常に小さくなり、スイッチング部３０は第２の位置にすばやく到達する。また、移動末期においてスイッチング部３０が空気抵抗を受け難いので安定した位置に停止する。
【００２８】
本例の光スイッチング素子１０は、電源部６１をオフすることにより、電極４２および４６の間の静電力がなくなるので、駆動部４０のヨーク５０および５２の弾性力でスイッチング部３０が図３（ｄ）に示した第２の位置から、図３（ａ）に示した第１の位置に移動する。この際は、右側の区画１２ｂのヨーク５２の弾性力が左側の区画１２ａのヨーク５０の弾性力よりも大きくなるので、スイッチング部３０に対しては右側に大きな駆動力が作用する。したがって、抽出面３２が第１の方向Ａに対し図面の左側に傾いた状態で移動を開始し、図３（ａ）ないし図３（ｄ）に示した状態を逆の順番で辿り第２の位置から第１の位置に移動する。このため、スイッチング部３０が第２の位置から第１の位置に移動する際もスイッチング部３０の周囲に存在する気体の抵抗を抑制することができ、移動速度を向上することができる。このように、本発明の光スイッチング素子１０は、オンオフ動作（変調動作）の際に、いずれの方向に移動するときもスイッチング部３０が第1の方向Ａに対し傾いて剥がれ始め、傾いた状態で移動し、さらに傾いた状態から第１の方向Ａに向きながら停止する。このため、いずれの状態でもスイッチング部３０が受ける空気１６の抵抗を小さくすることができ、高速で移動し、応答速度の速い光スイッチング素子、すなわち、空間光変調装置を提供することができる。
【００２９】
図４に、本例の光スイッチング素子１０の移動時間を、スイッチング部３０が傾かずに移動する光スイッチング素子の移動時間と比較して示してある。図４（ａ）は、スイッチング部３０が第１の位置から第２の位置、すなわち、オン状態からオフ状態に切換わる際のベース電極４６とアドレス電極４２の距離（間隔）ｄと、切換え所要時間（経過時間）Ｔとの関係を示してある。スイッチング部３０の抽出面３２が常に第１の方向Ａを向いて移動し、アドレス電極４２がベース電極４６に対し常に平行に移動する場合は、スイッチング部３０に対し以下の式（１）に示す静電力Ｆｓと、ヨーク５０および５２の弾性力Ｆｅと、さらに、空気の抵抗力Ｆａが主に作用し、一点鎖線８１ａに示すようなカーブを描いて移動する。
【００３０】
Ｆｓ＝εＳＶ／ｄ・・・（１）
ただし、εは流体（空気）の誘電率、Ｓは電極の面積、ｄは電極間の距離、Ｖは電圧を示す。
【００３１】
これに対し、本例の光スイッチング素子１０においては、空気の抵抗力Ｆａが上述したように削減されるので、静電力Ｆｓが大きくスイッチング部３０に作用する。その結果、実線８０ａに示すように、経過時間ＴがΔＴ１（ｔ２−ｔ１）ほど短縮され、スイッチング部３０の移動速度、すなわち、応答速度が向上する。
【００３２】
図４（ｂ）は、第２の位置から第１の位置、すなわち、オフ状態からオン状態に切換わる際のスイッチング部３０の移動経過を示してある。第２の位置から第１の位置に移動する間は、上述したように静電力Ｆｓは作用せず、スイッチング部３０に対してはヨーク５０および５２の弾性力Ｆｅと、空気抵抗Ｆａが作用する。そして、スイッチング部３０の向きを第１の方向Ａに保ったまま移動する場合は、空気抵抗Ｆａが大きく作用し、一点鎖線８１ｂのようにスイッチング部３０が移動する。これに対し、本例の光スイッチング素子１０においては、空気抵抗Ｆａが削減されているので、実線８０ｂに示すようにΔＴ２（ｔ５−ｔ４）ほど速く移動できる。したがって、本例の光スイッチング素子１０は、オンからオフに移動する速度も、オフからオンに移動する速度も速くなり、全体の応答速度を向上することができる。
【００３３】
このように、スイッチング部３０を第１の位置から第２の位置、あるいはその逆方向に移動するときに、抽出面３２の向きを傾けることにより空気抵抗を小さくし、応答速度を速くすることができる。スイッチング部３０を傾けて移動するには、上記のように、スイッチング部３０の重心１４ｂに対し非対称な分布の駆動力を作用させれば良く、このため、上記では、重心１４ｂを通る立体中心線１４に対する左右に位置するヨーク５０および５２の幅を変えてそれぞれのヨークのばね係数を変え、スイッチング部３０にヨーク５０および５２から印加される左右の弾性力の分布を非対称にしている。ヨークのばね係数を変える要素はヨークの幅Ｗだけに限定をされないことはもちろんである。例えば、図５に、ヨーク５０および５２の厚みＵを変えて、ばね係数を調整することができる。図５に示した例では、立体中心線１４の左側の区画１２ａに位置するヨーク５０の厚みＵを右側の区画１２ｂに位置するヨーク５２の厚みＵより薄くしてあり、上記の例と同様にヨーク５０のばね係数がヨーク５２のばね係数よりも小さくなるようにしている。したがって、図５に示した光スイッチング素子１０においても、スイッチング部３０は上記と同様に動き、応答速度を速くすることができる。
【００３４】
さらに、上記では、ヨーク５０および５２の幅Ｗあるいは厚みＵによってヨークの断面積を変えることによってそれぞれのヨーク５０および５２のばね係数を変えているが、図６に示すようにヨーク５０および５２の材質を変えてばね係数を変えることも可能である。図６に示した光スイッチング素子１０においては、左側の区画１２ａに位置するヨーク５０と、右側の区画１２ｂに位置するヨーク５２にばね係数の異なった材質、例えば、ボロンドープされたシリコン膜であれば、ボロンの濃度を変えたり、あるいは、他の不純物をドープすることによってばね係数を変えた部材を用いている。もちろん、シリコン膜の代わりに、有機性樹脂の薄膜などをばね係数の異なるヨークの材料として採用することも可能である。
【００３５】
また、図７に示すように、一方のヨークに材質の同じ薄膜、あるいは材質の異なる薄膜を貼り付けることによっても左右のヨーク５０および５２のばね係数を変えることができる。図７に示した光スイッチング素子１０においては、右側の区画１２ｂに位置するヨーク５２を材質の異なる２つの層５２ａおよび５２ｂによって形成しており、他方の区画１２ａに位置するヨーク５０は１つの材質によって形成している。このような方法によっても左右に配置されたヨーク５０および５２のばね係数を調整することが可能であり、上述したように、スイッチング部３０を傾いた状態で移動させることができる。
【００３６】
さらに、上記では、ヨーク５０および５２のばね係数を変えることにより、スイッチング部３０に印加される弾性力の分布を非対称にしているが、ヨーク５０および５２の配置を左右で変え、スイッチング部３０の重心１４ｂの周囲のばね常数の分布を非対称にすることも可能である。
【００３７】
図８は、先に説明した図２に対応する図面であり、本例の光スイッチング素子１０においては、立体中心線１４の左側の区画１２ａに１本のヨーク５０を配置し、右側の区画１２ｂに２本のヨーク５２を配置してある。このようなヨーク５０および５２の配置を採用すると、右側の区画１２ｂの方がヨーク５２の本数が多く、弾性力が大きくなる。したがって、左右の弾性力の分布がアンバランスになるので、上述した例と同様にスイッチング部３０は第１の位置の向き（第１の方向）に対し傾いた状態で移動し、空気抵抗を小さくすることができる。
【００３８】
図９には、立体中心線１４の左側の区画１２ａにはヨークを配置せず、右側の区画１２ｂにのみヨーク５２を配置してスイッチング部３０を支持した例を示してある。この光スイッチング素子１０においては、スイッチング部３０が右側の区画１２ｂでのみ弾性的に支持されるので、立体中心線１４に対し非対称な駆動力がスイッチング部３０に作用する。したがって、上記と同様に移動の初期、間および末期においてスイッチング部３０は傾いた状態となり、移動中の空気抵抗を削減できので、応答速度の速い光スイッチング素子１０を提供することができる。
【００３９】
なお、上記においては、図１（ｂ）あるいは図３（ｄ）に示すように、スイッチング部３０がベース電極４６にもっとも近づいた第２の位置においてアドレス電極４２とベース電極４６が平行になり、抽出面３２が第１の位置の向きＡと略同じ方向を向いて停止する例を示してある。しかしながら、第２の位置において抽出面３２が第１の方向Ａに対し傾いた状態とすることも有効である。
【００４０】
図１０は、スイッチング部３０が移動末期に傾いた状態となり、そのままの状態でヨーク５２の弾性力Ｆｅと、電極４２および４６によって生ずる静電力Ｆｓとがつりあい停止する例を示してある。すなわち、本例の光スイッチング素子１０のヨーク５０および５２は、左側の区画１２ａのヨーク５０のばね係数が、右側の区画１２ｂのヨーク５２のばね係数よりも小さく、静電力Ｆｓが働いたときに、左側の区画１２ａにおいてはスイッチング部３０のアドレス電極４２がベース電極４６の近傍に達しストッパ４８で停止しているのに対し、右側の区画１２ｂではアドレス電極４２がベース電極４６の近傍に達しないところで力がつりあっている。したがって、スイッチング部３０は傾いた状態で停止している。
【００４１】
このような傾いた状態で停止していると、移動末期に傾いた状態からアドレス電極４２がベース電極４６と平行な位置になるまで移動する時間を省くことができ、また、逆に移動初期にアドレス電極４２がベース電極４６から傾いた状態で剥離する時間も省くことができる。さらに、第２の位置では、抽出面３２の向きが全反射面２２と平行である必要はなく、光スイッチング素子（空間光変調装置）としての性能上はまったく問題がない。そして、スイッチング部３０は移動を開始するとすでに傾いた状態になっているので、空気抵抗が少なくでき高速に移動できる。このように、第２の位置においてスイッチング部３０を傾いた状態にすると、移動中の空気抵抗を削減できると共に、スイッチング部３０の姿勢を変える時間も省くことが可能であり、さらに応答時間を短縮し、非常に高速で動作可能な光スイッチング素子を提供することができる。
【００４２】
図１１に示した光スイッチング素子１０も、第２の位置においてスイッチング部３０が傾いた状態で停止するようになっている。このため、本例の光スイッチング素子においては、第２の位置でスイッチング部３０を支持する左右のストッパ４８ａおよび４８ｂの高さを変え、スイッチング部３０の立体中心線１４の左右でスイッチング部３０の移動可能な間隔を非対称にしている。このように高さの異なるストッパ４８ａおよび４８ｂを設けることにより、スイッチング部３０のアドレス電極４２の右側の部分は、先にストッパ４８ｂに当たって停止し、傾いた状態となる。したがって、ヨーク５０および５２あるいは電極４２および４６が左右対称な分布となっていても第２の位置ではスイッチング部３０は傾いた状態となり、この状態から移動開始するとき、あるいはこの状態に停止する移動末期における空気の抵抗を少ないすることができる。したがって、スイッチング部３０の移動時間を短縮でき、応答速度の速い光スイッチング素子を提供することができる。なお、上記に示した例でも同様であるが、これらのストッパ４８ａあるいは４８ｂは、アドレス電極４２がベース電極４６に直に接触するのを防止する度当たりとなり、それぞれの電極が接触して短絡したり、あるいは、電荷による吸着が発生してはがれなくなるのを防止する機能も備えている。
【００４３】
図１２には、ベース電極４６の一方の側にのみストッパ４８ｃを設けた光スイッチング素子１０を示してある。上記のように、ストッパ４８の高さをスイッチング部３０の重心（立体中心線）の左右で非対称にする代わりに、ストッパ４８の配置を立体中心線１４の左右で非対称にすることによっても、第２の位置でスイッチング部３０を傾いた状態で停止できる。ストッパ４８の分布を非対称にする場合は、アドレス電極４２とベース電極４６が接触する可能性があるので、本例においては、アドレス電極４２の外面を絶縁部材の層４９でコーティングしてアドレス電極４２とベース電極４６が直に接触することがないようにしている。
【００４４】
〔第２の実施の形態〕
以上の例では、スイッチング部３０に対し、その重心に対し非対称な駆動力を作用させ、スイッチング部３０を傾けた状態で移動するために、ヨーク５０あるいは５２のばね係数、配置などを変えて重心に対する弾性力の分布を制御しているが、逆に、スイッチング部３０の重心１４ｂの位置を非対称な位置に移動することによって重心１４ｂの周りの駆動力の分布を非対称にすることも可能である。
【００４５】
図１３に、スイッチング部３０の立体中心線１４の左側の区画１２ａに重り（バランサ）３１を追設して重心１４ｂを左側の区画１２ａに移設した光スイッチング素子１０を示してある。なお、本実施の形態および以下に示す実施の形態において、上述した実施の形態と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。本例の光スイッチング素子１０においては、重心１４ｂが体心１４ａを通る立体中心線１４から左側にずれているので、左右の区画１２ａおよび１２ｂの質量が異なる。したがって、スイッチング部３０が鉛直方向に移動するように配置されているのであれば、この左右の区画１２ａおよび１２ｂの質量の相違は、重力加速度の相違、すなわち重量相違として作用する。このため、左右の区画１２ａおよび１２ｂに同じ弾性力Ｆｅおよび静電力Ｆｓが作用しても左の区画１２ａが重いので上記の実施の形態と同様にスイッチング部３０は傾いて移動する。一方、スイッチング部３０が水平方向に移動するように配置されているのであれば、弾性力Ｆｅおよび静電力Ｆｓの作用する質量が相違するので、移動するときの加速度が異なる。したがって、この場合でもスイッチング部３０は傾いた状態で移動する。
【００４６】
このように、本例の光スイッチング素子１０においても、スイッチング部３０は移動初期、移動中および移動末期において傾いた状態で移動するのでスイッチング部３０の周囲の流体（多くは空気であり、もちろん窒素などの不活性気体であってももちろん良い）から受ける抵抗力を削減することができる。したがって、上記の実施の形態と同様に応答速度のさらに速い光スイッチング素子を提供することができる。
【００４７】
〔第３の実施の形態〕
さらに、静電力Ｆｓの分布を調整してスイッチング部３０に対する駆動力の分布を重心１４ｂに対し非対称にすることも可能であり、これによりスイッチング部３０を傾けて移動させることができる。静電力Ｆｓは、先に式（１）で示したように、電極の面積Ｓおよび電圧Ｖに比例し、電極間の距離ｄに反比例するので、これらの要素のいずれかについて、その重心１４ｂの周りの分布を非対称にすることにより非対称な静電力を得ることができる。
【００４８】
図１４は、先に示した図２に対応する図面であり、スイッチング部３０の下面３７に設けられたアドレス電極４２の形状を立体中心線１４の左右でアンバランスにして重心１４ｂに対し非対称な静電力Ｆｓが得られるようにしている。すなわち、本例のアドレス電極４２は、左側の区画１２ａの面積が右側の区画１２ｂの面積に対して広いほぼ台形状となっている。したがって、左側の区画１２ａで発生する静電力が右側の区画１２ｂで発生する静電力より大きい。このため、スイッチング部３０を静電力を用いて第１の位置から第２の位置に移動するときに静電力の大きな左側の区画１２ａが先に移動を開始し、その結果、スイッチング部３０は上記の実施の形態と同様に傾いた状態で移動する。一方、第２の位置から第１の位置に移動するときは、本例の光スイッチング素子１０では静電力が作用しないのでヨーク５０および５２による弾性力が左右の区画で一定であるとすると略平行な状態でスイッチング部３０は移動する。
【００４９】
なお、アドレス電極４２の形状をスイッチング部３０の底面３７の形状から変えると、アドレス電極４２に対し電力を供給する役目を兼ね備えたヨーク５０および５２との電気的な接続が取り難くなる。このため、本例においては、スイッチング部３０の底面３７の縁にそって接続用の電極４２ｔを設けてアドレス電極４２とヨーク５２とを電気的に接続している。
【００５０】
図１５に、立体中心線１４の左右の区画１２ａおよび１２ｂでアドレス電極４２の面積を変えた異なった例を示してある。本例の光スイッチング素子１０においては、アドレス電極４２がほぼＴ字型となっており、左側の区画１２ａに底面３７よりやや大き目のほぼ長方形状のアドレス電極４２ａが設けられ、これに接続するように、右側の区画１２ｂにはそのほぼ中央に左側の電極４２ａの半分程度の面積で方形のアドレス電極４２ｂが設けられている。本例に限らず、アドレス電極４２がスイッチング部３０の立体中心線１４対し非対称で面積が異なるような形状であれば、左右の区画１２ａおよび１２ｂで生ずる静電力の大きさが異なるので、上記のようにスイッチング部３０を傾いた状態で駆動することができる。したがって、空気抵抗が少なく、応答速度の速い光スイッチング素子を提供することができる。もちろん、アドレス電極４２の代わりに、ベース電極４６の形状を変えることも可能であり、あるいは両方の電極４２および４６の形状を非対称にして静電力の分布を非対称にすることも可能である。
【００５１】
図１６に、アドレス電極４２あるいはベース電極４６の形状を非対称にする代わりに、アドレス電極４２およびベース電極４６との間隔ｄを立体中心線１４に対し非対称にした例を示してある。本例の光スイッチング素子１０においては、左側の区画１２ａのアドレス電極４２ａの厚みに対し、右側の区画１２ｂのアドレス電極４２ｂの厚みが大きくなっている。したがって、スイッチング部３０がオン状態の第１の位置に居るときは、右側の区画１２ｂのアドレス電極４２ｂとベース電極４６の間隔ｄが、左側の区画１２ａの間隔ｄよりも狭くなっている。このため、アドレス電極４２およびベース電極４６に電力が供給されると、右側の区画１２ｂの静電力の方が左側の区画１２ａの静電力よりも大きくなる。したがって、本例の光スイッチング素子においては、スイッチング部３０が第１の位置から第２の位置に移動するときは、上記の実施の形態と異なり、右側の区画１２ｂの側から剥離して傾いた状態で移動を開始する。
【００５２】
一方、第２の位置に到達した移動末期においては、厚みの大きな右側のアドレス電極４２ｂの方が先にベース電極４６に当たり、次に左側のアドレス電極４２ａがベース電極４６に当たって停止する。このため、移動開始のときとは異なった向きに傾いてスイッチング部３０は停止する。さらに、この第２の位置から第１の位置に移動するときは、静電力が切られるので、ヨーク５０および５２の弾性力によってスイッチング部３０が移動する。この際、第２の位置においてスイッチング部３０は傾いた状態になっているので、移動初期および移動中も傾いたままとなり、さらに、第１の位置に到達すると、スイッチング部３０の抽出面３２が導光部２０の全反射面２２に当たる。このため、抽出面３２の向きは傾いた状態から全反射面２２に密着する向きに方向を変え、オン状態となる。
【００５３】
このように、本例の光スイッチング素子１０は、移動初期、移動中および移動末期において傾いた状態となり、さらに、第２の位置においても傾いた状態で停止する。したがって、移動速度が速く、オンオフの移動期間も短くなり、応答速度の速い光スイッチング素子を提供することができる。
【００５４】
なお、本例においては、アドレス電極４２の厚みを左右で変えて、アドレス電極４２がベース電極４６に当たって停止するようにしている。このため、直にアドレス電極４２とベース電極４６が接触すると短絡などの問題があるので、アドレス電極４２を絶縁部材４９でコーティングして直に接触するのを防いでいる。
【００５５】
図１７に、アドレス電極４２の代わりに、ベース電極４６の厚みを変えた例を示してある。本例の光スイッチング素子１０においては、立体中心線１４の左側の区画１２ａのベース電極４６ａの厚みに対し、右側の区画１２ｂのベース電極４６ｂの厚みを大きくしてある。したがって、図１６に基づき説明した例と同様に、スイッチング部３０が第１の位置にあるときは、右側の区画１２ｂのベース電極４６とアドレス電極４２の間隔ｄが左側の区画１２ａよりも短くなり、より大きな静電力が発生する。このため、上記の例と同様にスイッチング部３０は傾いて移動を開始する。
【００５６】
一方、第２の位置でスイッチング部３０が停止するときは図１７に示してあるように、ベース電極４６の高さが左右で異なるので、このベース電極４６にスイッチング部３０が当たって傾いた状態で停止する。このため、第２の位置から第１の位置に移動するときは、本例でもスイッチング部３０は傾いた状態で移動し、いずれの方向でも空気による抵抗を削減し応答速度を改善することができる。
【００５７】
〔第４の実施の形態〕
上記の例では、電極４２および４６の面積あるいは間隔を変えて静電力の分布を非対称にしているが、さらに、静電力を印加するタイミングを変えることにより、スイッチング部３０の重心に対し非対称な分布を持った駆動力を作用させることができる。
【００５８】
図１８に、立体中心線１４の左右の区画１２ａおよび１２ｂで静電力を印加するタイミングを変えられるようにアドレス電極４２を左右４２ａおよび４２ｂに分割した光スイッチング素子１０を示してある。本例においては、アドレス電極４２が立体中心線１４に沿って２つの電極４２ａおよび４２ｂに分割されており、ここの電極４２ａおよび４２ｂは立体中心線１４に対し非対称な形状になっている。したがって、ここの電極４２ａおよび４２ｂに別々のタイミングで電力を供給することにより、立体中心線１４に対し非対称な分布を持つ駆動力をスイッチング部３０に作用させることができる。
【００５９】
図１９および図２０に、本例の光スイッチング素子１０の動作を示してある。また、図２１に、それぞれの電極４２ａおよび４２ｂに電力を供給する電源部６１ａおよび６１ｂの動作（制御）をタイミングチャートを用いて示してある。まず、図１９（ａ）に示すように、左右のアドレス電極４２ａおよび４２ｂに電源部６１ａおよび６１ｂから電力が供給されていないときは、駆動部４０のヨーク５０および５２によってスイッチング部３０は抽出面３２が全反射面２２に密着したオン状態（第１の位置）となっている。
【００６０】
次に、時刻ｔ１１に電源部６１ａのスイッチが入り、左側の区画１２ａのアドレス電極４２ａに電力が供給されると、左側の区画１２ａでは静電力が作用する。時刻ｔ１２に静電力が適当な力に達すると、図１９（ｂ）に示すように、スイッチング部３０は傾いた状態で移動を開始し、抽出面３２が全反射面２２に対し斜めになって隙間（空間）３８が形成されオフ状態となる。この空間３８は徐々に大きくなるので空気１６がスムーズに流入し、空気抵抗が少ない状態でスイッチング部３０の移動が速やかに進む。
【００６１】
時刻ｔ１１から時間Ｔ１０だけ遅れた時刻ｔ１３に右側の区画１２ｂのアドレス電極４２ｂに電力を供給する電源部６１ｂがオンすると、右側の区画１２ｂでも静電力がスイッチング部３０に作用する。この結果、図２０（ａ）に示すように、スイッチング部３０は適当な角度に傾いた状態で右側の部分にも剥離力が作用して、角度を保った状態で第２の位置に向かって移動を行う。この移動中もスイッチング部３０は、移動方向に対して傾いた状態となっているので、空気抵抗は少なく、高速で移動することができる。あるいは、所定を応答速度を得るために必要な静電力が小さくて良いので、光スイッチング素子１０を駆動するために必要な電力消費を少なくすることができるという効果もある。
【００６２】
図２０（ｂ）に示すように、スイッチング部３０がベース電極４６に接近して停止する第２の位置に達すると、図２０（ａ）から図２０（ｂ）に移行する移動末期においてスイッチング部３０が傾いた状態から略平行な状態になり、ベース電極４６とアドレス電極４２との間の空気もスムーズに排出される。このように、本例の光スイッチング素子１０においても、移動初期、移動中および移動末期においてスイッチング部３０が傾いた状態となるので、応答速度をさらに向上でき、あるいは、光スイッチング素子の駆動電力を低減することも可能となる。
【００６３】
スイッチング部３０が第２の位置から第１の位置に移動する際も、時刻ｔ１４に右側の区画１２ｂのアドレス電極４２ｂに対する電力供給を遮断すると、右側の区画１２ｂの静電力がなくなるので、ヨーク５２の弾性力によってスイッチング部３０が傾いた状態で移動を開始する。そして、それから時間Ｔ１１遅れた時刻ｔ１５に左側の区画１２ａのアドレス電極４２ａに対する電力供給も遮断すると、スイッチング部３０は適当な角度に傾いた状態で第２の位置から第１の位置に移動する。そして、時刻ｔ１６にスイッチング部３０が第１の位置に到達し、抽出面３２が全反射面２２に平行で密着した状態になると、本例の光スイッチング素子１０は、入射光を出射光として変調して出力するオン状態になる。
【００６４】
このように、本例、および上記の実施の形態で説明した光スイッチング素子１０は、オンからオフ、そしてオフからオンと空気中あるいは不活性ガス中などの流体中で高速で動かすことが可能であり、真空にしなくても応答速度が速い、あるいは低消費電力の空間光変調装置を実現できる。
【００６５】
図２２および図２３に、ベース電極４６を左右に分割した例を示してある。また、これらの左右に分割したベース電極４６ａおよび４６ｂに対し、タイミングおよび電圧Ｖを変えて電力を供給する様子を図２４のタイミングチャートを用いて示してある。図２２（ａ）に示すように、本例の光スイッチング素子１０においては、ベース電極４６が立体中心線１４の左右の区画１２ａおよび１２ｂの電極４６ａおよび４６ｂに分離され、互いに絶縁されており、電源部６１から個別に制御することにより双方の区画１２ａおよび１２ｂで生じる静電力を制御することができるようになっている。このため、電源部６１は、左側のベース電極４６ａに接続されている電源ユニット６２と、右側のベース電極４６ｂに接続されている電源ユニット６３を備えており、さらに、これらの電源ユニット６２および６３からそれぞれの電極４６ａおよび４６ｂに供給される電圧を制御することができるコントロールユニット６６を備えている。本例の光スイッチング素子１０も上記の例と同様に、電極４２および４６に電力が供給されていない状態では、ヨーク５０および５２の弾性力によってスイッチング部３０は第１の位置にあり、オン状態となっている。
【００６６】
時刻ｔ２１に、電源ユニット６２から左側のベース電極４６ａに電圧Ｖ１の電力が供給され、電源ユニット６３から右側のベース電極４６ｂに電圧Ｖ２の電力が供給される。この際、左側の電極４６ａに供給される電圧Ｖ１の値を、右側の電極４６ｂに供給される電圧Ｖ２よりも高く設定しておくことにより、スイッチング部３０の左側の区画１２ａで右側の区画１２ｂよりも大きな静電力が作用する。その結果、スイッチング部３０の重心１４ｂに対し左右で非対称な駆動力が働くので、図２２（ｂ）に示すように、スイッチング部３０が回転しながら移動を開始し、抽出面３２が傾きながら左側の区画１２ａの側から剥がれ始める。したがって、本例の光スイッチング素子１０においても上記の各実施の形態と同様に空気抵抗が少なく、スムーズにスイッチング部３０を移動させることができる。
【００６７】
さらに、時刻ｔ２２に、コントロールユニット６６により、電源ユニット６２および６３から左右のベース電極４６ａおよび４６ｂに略同じ電圧Ｖ３の電力を供給するようにすると、図２３（ａ）に示すように、適当な角度までスイッチング部３０が回転した状態でスイッチング部３０が第２の位置まで移動する。そして、図２３（ｂ）に示すようにアドレス電極４２がストッパ４８ｅに当たり、第２の位置で停止する。この移動末期においても、上記の各実施の形態と同様にスイッチング部３０は傾いた状態から平行な状態に回転し、その間の空間の空気を速やかに排出して停止する。また、本例の光スイッチング素子１０においては、ベース電極４６ａおよび４６ｂは、ストッパとなる部分４８ｅが突出した非平坦な形状に加工されており、アドレス電極４２がベース電極４６ａあるいは４６ｂに密着しないようになっている。
【００６８】
さらに、スイッチング部３０を第２の位置から第１の位置に移動するときは、図２４に示したように時刻ｔ２３に右側のベース電極４６ｂに対する電力供給を遮断し、左側のベース電極４６ａに対する電力を徐々に低下させることができる。これにより、右側の区画１２ｂにおいては、ヨーク５２の弾性力によってスイッチング部３０がすぐに移動を開始し、これに対し、左側の区画１２ａにおいては、ベース電極４６ａとアドレス電極４２との間に静電力が作用し、徐々にその力が低下していくようになる。したがって、スイッチング部３０は第２の位置から移動を開始するときも適当な角度まで回転し、傾いた状態になった後に第１の位置に向かって移動する。したがって、第２の位置から第１の位置に移動する際も、空気抵抗が低減され、高速でスイッチング部３０を動かすことができる。
【００６９】
以上に説明した光スイッチング素子１０は、入射光をオンオフ制御可能な空間光変調装置としての機能を備えており、これらの光スイッチング素子１０を単体で利用することはもちろん可能であり、さらに、アレイ状に配置して画像表示装置はもちろん、光通信、光演算、光記録などの多種多様な分野に応用することができる。そして、スイッチング部を移動する際にオン状態の向きから傾けることにより、スイッチング部の周囲の流体から受ける抵抗を大幅に低減することができる。このため、通常の空気中あるいは不活性ガス中などの雰囲気で本発明の空間光変調装置は使用することが可能であり、高速動作が可能で、応答速度が速く、さらに信頼性の高い空間光変調装置を得ることができる。また、逆に、流体の抵抗を小さくできるので、空間光変調装置を駆動するための電力消費を低減することができる。
【００７０】
なお、以上の例では、エバネセント波を利用した光スイッチング素子を例に本発明を説明しているが、スイッチング部の抽出面に変わる平面要素を動かすことにより干渉特性を変化させて入射光を変調したり、偏光方向あるいは反射光の位相を変化させるなどのさまざまなタイプの空間光変調装置に本発明を適用できることはもちろんである。
【００７１】
また、以上の例では、薄膜材からなるヨークを弾性材として用いた例を説明しているが、もちろん、コイルばねなどの他の形状の弾性材を採用することも可能である。また、弾性材を用いずに、電極の組み合わせを増やしたり、あるいは静電力の向きを適当に変えることによってもスイッチング部を第１の位置と第２の位置の間で移動する駆動力を得ることができ、その駆動力を非対称な状態にすることによりスイッチング部を傾けて移動させることができる。そして、上記にて開示したようなさまざまな効果を得ることができる。さらに、静電力に代わり、ピエゾ素子などの圧電素子を駆動源として用いることももちろん可能であり、この圧電素子の配置、動きなどを非対称にすることにより上記と同等の効果を得ることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の空間光変調装置は、入射光を変調可能な平面要素を備えたスイッチング部を第１の位置から第２の位置に移動する際に、平面要素の向きを第１の位置における第１の方向から傾いた状態にするようにしている。そして、移動初期、移動中あるいは移動末期の少なくともいずれかに傾いた状態にすることにより、スイッチング部の周囲に存在する空気あるいは不活性ガスなどの流体から受ける抵抗を低減することができる。このため、スイッチング部を移動する際の抗力が減り、静電力などを用いて、さらに高速でスイッチング部を動かすことができ、応答時間が短く、応答速度の早い空間光変調装置を提供することができる。また、抗力が低減されるので、逆に、消費電力を低減することも可能となる。そして、空気中などの一般的な環境条件で応答速度の速い空間変調装置を提供できるので、画像表示装置はもちろん、さまざまな分野で本発明に係る空間変調装置を適用することができる。また、高速で動作させるために真空チャンバーなどの特殊な設備は不要なので、低コストで高性能の空間変調装置を提供することができる。
【００７３】
さらに、スイッチング部を移動中のみならず、オフ状態の第２の位置においても傾きた状態で停止させておくことが可能である。スイッチング部を傾いた状態で停止すれば、傾いた状態から平行な状態に戻す時間および駆動力をさらに短縮することが可能であり、いっそう動作速度が速く、応答性能の良い空間光変調装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るエバネセント光を用いた光スイッチング素子の概要を示す図であり、図１（ａ）はスイッチング部が第１の位置にあるオン状態を示し、図１（ｂ）はスイッチング部が第２の位置にあるオフ状態を示す図である。
【図２】図１に示す光スイッチング素子のスイッチング部の構成をアドレス電極の側から示す図である。
【図３】図１に示す光スイッチング素子において、オン状態（第１の位置）からオフ状態（第２の位置）へ移動する様子を順番に模式的に示す断面図である。
【図４】図１に示す光スイッチング素子において、アドレス電極およびベース電極間の間隔を経過時間と共に示す図であり、図４（ａ）はオンからオフに移行する経過を示す、図４（ｂ）はオフからオンに移行する経過を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係る異なった光スイッチング素子の構成例を示す図である。
【図６】第１の実施の形態に係る、さらに異なった光スイッチング素子の構成例を示す図である。
【図７】第１の実施の形態に係る、さらに異なった光スイッチング素子の構成例を示す図である。
【図８】第１の実施の形態に係る、さらに異なった光スイッチング素子の構成例を示す図である。
【図９】第１の実施の形態に係る、さらに異なった光スイッチング素子の構成例を示す図である。
【図１０】図１に示した光スイッチング素子において、第１の方向に対し傾いた状態で第２の位置に停止する例を示す図である。
【図１１】図１０に示した光スイッチング素子のさらに異なる例を示す図である。
【図１２】図１０に示した光スイッチング素子のさらに異なる例を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図であり、重心の位置をずらした例を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る光スイッチング素子の概略構成を示す図であり、アドレス電極の形状を非対称にした例を示す図である。
【図１５】図１４に示した第３の実施の形態に係る光スイッチング素子の異なる例を示す図である。
【図１６】図１４に示した第３の実施の形態に係る光スイッチング素子のさらに異なる例を示す図である。
【図１７】図１４に示した第３の実施の形態に係る光スイッチング素子のさらに異なる例を示す図である。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係る電極を分割した光スイッチング素子の例を示す図である。
【図１９】図１８に示す光スイッチング素子の動作を示す図であり、第１の位置および第１の位置から移動開始後の状態を示す図である。
【図２０】図１８に示す光スイッチング素子の動作を示す図であり、移動中および第２の位置で停止した状態を示す図である。
【図２１】図１８に示した光スイッチング素子の制御動作を示すタイムチャートである。
【図２２】図１８に示した第４の実施の形態に係る光スイッチング素子の異なる例を示す図であり、第１の位置および第１の位置から移動開始後の状態を示す図である。
【図２３】図２２に続き、移動中および第２の位置で停止した状態を示す図である。
【図２４】図２２および２３に示す光スイッチング素子の制御動作を示すタイミングチャートである。
【図２５】従来の液晶を用いた光スイッチング素子を示す図である。
【符号の説明】
１０・・空間光変調装置
１２・・区画
１４・・立体中心線
１４ｂ・・重心
１６・・空気
２０・・導光部（カバーガラス）
２２・・全反射面
３０・・スイッチング部
３１・・バランサー
３２・・抽出面
３３・・マイクロプリズム
３７・・底面
３８・・隙間
４０・・駆動部
４１・・ポスト
４２・・アドレス電極（第１の電極）
４６・・ベース電極（第２の電極）
４８・・ストッパ
４９・・絶縁部材
５０、５２・・ヨーク
６０・・ＩＣチップ
６１・・直流電源部
６２、６３・・電源ユニット
６６・・コントロールユニット
７０・・入射光
７２・・出射光
９０８・・偏光板
９０３・・ガラス板
９０４、９０５・・透明電極
９０６、９０７・・液晶

Claims (10)

1. 光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、
   前記全反射面と対峙する抽出面を備え、前記抽出面が前記全反射面に接近あるいは密着する第１の位置、および前記抽出面がこの第１の位置より前記全反射面から離れる第２の位置に移動可能なスイッチング部と、
   前記スイッチング部を、前記第１の位置および前記第２の位置に移動可能な駆動手段とを有し、
   前記抽出面が前記第１の位置になるとき、前記抽出面は前記反射面に対し第１の方向を向き、かつ前記導光部から光が出力され、前記抽出面が前記第２の位置になるとき、前記導光部から光が出力されず、
   前記駆動手段は、前記スイッチング部に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備え、前記第１の電極及び前記第２の電極の間に生ずる静電気力により前記スイッチング部を駆動し、前記スイッチング部に対し、その重心に対し非対称な分布を備えた駆動力を印加可能であり、前記スイッチング部の前記抽出面の向きを、移動初期に、前記第１の方向に対し傾けることを特徴とする空間光変調装置。
2. 請求項１において、前記スイッチング部の平面要素に前記第１の位置で接し、該平面要素の向きを前記第１の方向に規定する平面部材を有することを特徴とする空間光変調装置。
3. 請求項１において、前記スイッチング部の重心が該スイッチング部の立体中心からずれていることを特徴とする空間光変調装置。
4. 請求項１において、前記駆動手段は、前記スイッチング部を弾性的に支持する支持部材を備えており、この支持部材は、弾性定数の分布が前記スイッチング部の重心に対し非対称となる部分を具備していることを特徴とする空間光変調装置。
5. 請求項４において、前記スイッチング部の前記抽出面は、前記第２の位置で前記第１の方向に対し傾いていることを特徴とする空間光変調装置。
6. 請求項１において、前記駆動手段は、前記スイッチング部に設けられた第１の電極と、この第１の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備えており、前記第１の電極の形状、第２の電極の形状、または第１および第２の電極の間隔が前記スイッチング部の重心に対し非対称となる部分を具備していることを特徴とする空間光変調装置。
7. 請求項１において、前記駆動手段は、前記スイッチング部に設けられた第１の電極と、この第１の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備え、前記第１または第２の電極が前記スイッチング部の重心に対し非対称な形状の第１および第２の区画を形成するように分割されており、さらに、
   前記第１および第２の区画に異なったタイミングまたは電圧の電力を供給可能な電力供給部を備えていることを特徴とする空間光変調装置。
8. 光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、
   前記全反射面と対峙する抽出面を備え、前記抽出面が前記全反射面に接近あるいは密着する第１の位置、および前記抽出面がこの第１の位置より前記全反射面から離れる第２の位置に移動可能なスイッチング部と、
   前記スイッチング部を、前記第１の位置および前記第２の位置に移動可能な駆動手段とを有し、
   前記抽出面が前記第１の位置になるとき、前記抽出面は前記反射面に対し第１の方向を向き、かつ前記導光部から光が出力され、前記抽出面が前記第２の位置になるとき、前記導光部から光が出力されず、
   前記駆動手段は、前記スイッチング部に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備え、前記第１の電極及び前記第２の電極の間に生ずる静電気力により前記スイッチング部を駆動し、
   前記駆動手段は、前記スイッチング部に設けられた第１の電極と、この第１の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備えており、前記第１および第２の電極の間隔が前記スイッチング部の重心に対し非対称となる部分を具備しており、
   前記スイッチング部の前記抽出面は、前記第２の位置で前記第１の方向に対し傾いていることを特徴とする空間光変調装置。
9. 光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、
   前記全反射面と対峙する抽出面を備え、前記抽出面が前記全反射面に接近あるいは密着する第１の位置、および前記抽出面がこの第１の位置より前記全反射面から離れる第２の位置に移動可能なスイッチング部と、
   前記スイッチング部を、前記第１の位置および前記第２の位置に移動可能な駆動手段とを有し、
   前記抽出面が前記第１の位置になるとき、前記抽出面は前記反射面に対し第１の方向を向き、かつ前記導光部から光が出力され、前記抽出面が前記第２の位置になるとき、前記導光部から光が出力されず、
   前記駆動手段は、前記スイッチング部に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備え、前記第１の電極及び前記第２の電極の間に生ずる静電気力により前記スイッチング部を駆動し、
   前記スイッチング部が前記第２の位置で接触する支持台を有し、この支持台と前記スイッチング部との間隔が前記スイッチング部の重心に対し非対称となっており、
   前記スイッチング部の前記抽出面は、前記第２の位置で前記第１の方向に対し傾いていることを特徴とする空間光変調装置。
10. 光を全反射して伝達可能な全反射面を備えた導光部と、前記全反射面に対峙する抽出面を備えたスイッチング部と、前記スイッチング部に設けられた第１の電極と、前記第２の電極に対峙する位置に設けられた第２の電極とを備え、
    前記スイッチング部が、前記全反射面に接近あるいは密着する第１の位置と、前記抽出面がこの第１の位置より前期全反射面から離れる第２の位置とに移動可能であり、
    前記抽出面が前記第１の位置になるとき、前記抽出面は前記反射面に対し第１の方向を向き、かつ前記導光部から光が出力され、前記抽出面が前記第２の位置になるとき、前記導光部から光が出力されない空間変調装置の制御方法であって、
    前記スイッチング部に設けられた第１の電極が前記スイッチング部の重心に対し非対称な形状に分割された第１および第２の区画に対し、異なったタイミングまたは電圧で電力を供給する工程を有することを特徴とする空間変調装置の制御方法。

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